蓝宝石单晶生长技术研发

合約編號：華機95專案字011號

中華技術學院

產學合作研究計畫

結案報告

機械工程系

合作廠商：越峯電子材料股份有限公司計畫執行時程：95年3月17日至

96年8月31日

計畫金額：1,262,000元

計畫主持人﹕黃聖芳博士

藍寶石單晶生長技術研發

越峰電子材料股份有限公司

委託主導性研究計畫

結案報告

計畫主持人：黃聖芳

中華技術學院機械系

Tel：02-27867048ext.24,

0921833132

Fax：27867253

e-mail：sfhuang@.tw

台北市115南港區研究院路三段245號

計畫執行時程：95年3月17日至96年8月31日

目錄

1、研究背景2

2、藍寶石之特性5

3、藍寶石單晶生長方法介紹7

4、原料、設備與實驗方法17

5、晶體檢測程序27

6、計畫執行成果28

7、結論36

1、研究背景：

藍寶石(Sapphire)是一種氧化鋁(Al2O3)的單晶，又稱為剛玉(Corundum)，由於具有優良的機械、光學、化學以及抗輻射性質，因此近年來受到工業界廣泛的應用。由於藍寶石的光學穿透範圍非常的寬，從波長190nm的近紫外光到波長5500nm的中紅外光，藍寶石都有很好的透光率，因此大量被使用作為特種光學元件的透鏡材料、高功率雷射的透鏡材料以及飛彈彈頭光罩的材料，如圖1所示。由於藍寶石具有非常高的硬度與耐磨耗性能，因此也常作為精密機械的軸承材料，如圖2所示。又因具有的良好之抗幅射性能，也使得藍寶石常被應用於航太機具或暴露於輻射環境中的光學元件材料，如圖3所示。此外，目前在製作藍白光LED時所使用的基板材料(Substrate)，也是以藍寶石為主，圖4所示即為藍光發光二極體(LED)的結構示意圖。由於藍白光LED具有使用壽命長、消耗功率低，發光效率高等優勢，已成為未來照明燈具的主流，深具市場發展潛力，因而使得作為製作藍白光LED基材的藍寶石之市場需求量也大幅提升。

目前國內工業界對藍寶石的需求量很大，但幾乎全仰賴從美、日、俄等國進口，主要原因是國內缺乏生長藍寶石單晶的技術與人才。而美日等國有能力生產藍寶石單晶的廠商，所提出的技術移轉費用都非常的高，以致迄今尚無國內業者與美日等國的藍寶石單晶生產廠商進行合作。本校(中華技術學院)與俄羅斯的Vniisims公司進行技術合作，引進生長藍寶石單晶的長晶爐與長晶技術，並建置完成整套生長藍寶石的製程，並已多次成功生長出符合工業品質需求的藍寶石單晶。

越峰電子材料股份有限公司正在積極發展藍寶石單晶的長晶技術，並已從俄羅斯引進所需的長晶設備。本計畫即為本校與越峰公司共同簽定的主導性科專產學合作計畫，期望藉由本校已從俄羅斯技術移轉所得的藍寶石單晶長晶技術為基礎，繼續研究開發在藍寶石單晶的長晶製程中，各個參數對晶體品質的影響程度，進而發展出可生產品質更佳且更穩定的藍寶石單晶之製程技術，提供產業界量產之用。

本研究計畫預定完成之工作項目計有下列六項：

1、瞭解不同形態的氧化鋁原料在藍寶石單晶長晶時的合適的比例。

2、確認長晶程序中各個階段的調配與控制對藍寶石單晶品質的影響程度。

3、透過製程參數的控制，包括：加熱電壓、加熱時間、加熱溫度、下晶種方

式以及晶種拉升速率等。掌控製程參數對藍寶石單晶品質之影響程度。

4、獲悉藍寶石單晶所含的缺陷型態與數量。

5、完成硬度分析。

(a)(b)

圖1.(a)藍寶石晶棒與所製成的透鏡，(b)藍寶石所製成的光罩

圖2.藍寶石單晶所製成的軸承

圖3.航太機具的光學元件材料

(a)(b)

圖4.藍白光發光二極體(LED)之(a)外觀及(b)內部結構示意圖

2、藍寶石之特性

藍寶石的組成為氧化鋁(Al2O3)，是由三個氧原子和兩個鋁原子以共價鍵型式結合而成，如圖5(a)所示。其晶體結構為六方晶格結構，如圖5(b)、(c)所示。就顏色而言，單純的氧化鋁結晶是呈現透明無色的，因不同顯色元素離子滲透於生長中的藍寶石，因而使藍寶石顯出不同的顏色。在自然界中當藍寶石在生長時，晶體內含有鈦離子（Ti3+）與鐵離子（Fe3+）時，會使晶體呈現藍色，而成為藍色藍寶石（Blue Sapphire）。當晶體內含有鉻離子(Cr3+)時，會使晶體呈現紅色，而成為紅寶石(Ruby)。又當晶體內含有鎳離子(Ni3+)時，會使晶體

呈現黃色，而成為黃色藍寶石。

(a)(b)(c)

圖5.Al2O3之(a)分子結構，以及晶體結構圖(b)上視圖與(c)側視圖

表1所列為藍寶石之特性表，從表上所列之各種性質數值，可見藍寶石單晶在化學、電學、機械、光學、表面特性、熱力學以及耐久性等方面，均具有

優越特性，因而使之成為應用最為廣泛的人工合成單晶材料。藍寶石具有的特

性說明如下：

(1)化學穩定性：藍寶石具有高度的化學穩定性，在絕大多數化學反應過程中不會被腐蝕。

(2)機械特性：藍寶石單晶因其高硬度和高強度，可以在溫度範圍從超低溫至1500°C高溫之間的不同環境中保持高強度、耐磨耗與高度的穩定性。

(3)光學穿透率：藍寶石單晶材料的穿透波長範圍為0.19nm至5.5nm，加之其優異的化學穩定性，抗磨損，高硬度和耐高溫等性能，使藍寶石製作的窗口片和傳感器光學零件廣泛應用於高真空系統、高溫爐及其他嚴苛的環境中。

(4)熱力學特性：2000°C以上的熔點，加之優越的化學、機械及光學特性，使藍寶石晶體廣泛應用於許多苛刻的加工環境中。

(5)耐磨損性：由於具有很高的硬度和透明度，藍寶石晶體常用於製作耐磨損窗口或其它精密機械零件。

表1.氧化鋁(Al2O3)之特性表