LED藍寶石基板生長方法介紹

藍寶石是製作晶片的重要原料，佔LED晶片原料費的10%。藍寶石是指非紅色的氧化鋁(Al2O3)。含有雜質的藍寶石很早以前就被作為寶石，由於其具有多種光學、機械、電氣、熱以及化學特性，因此還被廣泛應用於工業等多種領域，而且應用範圍仍在不斷擴大之中。其中，能夠合成製造出藍寶石更是意義重大。藍寶石的主要用途包括led和LED底板。

　　藍寶石芯材(Core)和坯料(Blank)由商品變身為「戰略性材料」，大量的藍寶石生產商時隔數年又重新掌握了定價的主導權。而且，他們可以將價格設定為能夠最大限度獲取利潤的水平。其結果是，藍寶石晶圓的美國國內售價超出我們的預想，上漲到了30美元，現金交易市場上的價格更是超過了30 美元。很多加工藍寶石的企業和LED廠商為確保產能已經預付了貨款，目的是防止生產線停工。

　　生產藍寶石晶棒的工藝主要有泡生法(KY法、凱氏長晶法)、提拉法(CZ法、柴氏拉晶法)、溫度梯度法(TGT法)等，其中泡生法為主流工藝，生產的藍寶石晶體約佔70%，鑽取率約30%。

　　藍寶石晶體原材料為氧化鋁碎晶，生產利用率大於97%，已經完全國產化。藍寶石單晶產品即為藍寶石坯料，可直接出售，不合格品可直接作為原材料再次加工。其他消耗材料如鎢鉬材料、金剛石刀具、傳感器、儀表等均國產化。預計由藍寶石生產藍寶石晶棒的原材料、耗材均可由國內充分供應，此環節的短板主要在於長晶爐依賴進口。

　　國內主要的藍寶石晶體爐廠家都是高校研究機構，包括西安理工大學、哈爾濱工業大學以及重慶第二十六研究所等。但國內目前的生產技術只能生產2英寸以下的藍寶石晶棒，長成的晶體與氮化鎵(GaN)的晶格錯位較大，無法用於LED的藍寶石襯底領域，大多用於手錶表面外殼等。

　　藍寶石晶棒的供應商有美國的Rubicon、HoneywELl，俄羅斯的 Monocrystal、ATLAS，韓國STC 及國內合晶光電、越峰(臺聚轉投資)、尚志(大同轉投資)及鑫晶鑽(奇美、鴻海轉投資)。

　　藍寶石基板的供應商有美國的Rubicon、Honeywell、Crystal Systems、Saint-Gobain，俄羅斯的Monocrystal、ATLAS Sapphire，日本的京都陶瓷(Kyocera)、Namiki、Mahk，及國內兆遠、兆晶(奇美轉投資)、晶美、合晶及中美晶等公司。

　　目前，GaN基襯底包括藍寶石、SiC、GaN、Zno等，商業化的只有藍寶石、SiC襯底，除CREE外，基本都使用藍寶石襯底。

　對於新增設備，安裝需要3～6個月的時間。從工藝角度而言，大尺寸藍寶石晶體生產周期需10天左右，準備和後處理需要7天左右，試件加工需要7天左右，質量檢測、微觀結構及光電性能需要30天左右，工藝分析、模擬需要7天左右。前後就耗去6～8個月的時間。

　　藍寶石晶體的生長方法常用的有兩種：

　　1:柴氏拉晶法(Czochralski method)，簡稱CZ法。先將原料加熱至熔點後熔化形成熔湯，再利用一單晶晶種接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上因溫度差而形成過冷。於是熔湯開始在晶種表面凝固並生長和晶種相同晶體結構的單晶。晶種同時以極緩慢的速度往上拉升，並伴隨以一定的轉速旋轉，隨著晶種的向上拉升，熔湯逐漸凝固於晶種的液固界面上，進而形成一軸對稱的單晶晶錠。

　　2:凱氏長晶法(Kyropoulos method)，簡稱KY法，大陸稱之為泡生法。其原理與柴氏拉晶法(Czochralskimethod)類似，先將原料加熱至熔點後熔化形成熔湯，再以單晶之晶種(SeedCrystal，又稱籽晶棒)接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上開始生長和晶種相同晶體結構的單晶，晶種以極緩慢的速度往上拉升，但在晶種往上拉晶一段時間以形成晶頸，待熔湯與晶種界面的凝固速率穩定後，晶種便不再拉升，也沒有作旋轉，僅以控制冷卻速率方式來使單晶從上方逐漸往下凝固，最後凝固成一整個單晶晶碇。

　　晶體提拉法

　　晶體提拉法(crystal pulling method) 由J 。Czochral ski 於1918 年發明，故又稱「丘克拉斯基法」，簡稱CZ 提拉法，是利用籽晶從熔體中提拉生長出晶體的方法，能在短期內生長出高質量的單晶。這是從熔體中生長晶體最常用的方法之一。其優點是: (1) 在生長的過程中，可方便地觀察晶體生長的狀況; (2) 晶體在熔體表面處生長，不與坩堝接觸，能顯著地減小晶體的應力，防止坩堝壁的寄生成核; (3) 可以方便地運用定向籽晶和「縮頸」工藝，使「縮頸」後籽晶的位錯大大減少，降低擴肩後生長晶體的位錯密度，從而提高晶體的完整性 。其主要缺點是晶體較小，直徑最多達約51～76 mm。。

　　泡生法

　　泡生法( Kyropoulos method) 於1926 年由Kyropoul s 發明，經過科研工作者幾十年的不斷改造和完善，目前是解決晶體提拉法不能生產大晶體的好方法之一。其晶體生長的原理和技術特點是:將晶體原料放入耐高溫的坩堝中加熱熔化，調整爐內溫度場，使熔體上部處於稍高於熔點的狀態;使籽晶杆上的籽晶接觸熔融液面，待其表面稍熔後，降低表面溫度至熔點，提拉並轉動籽晶杆，使熔體頂部處於過冷狀態而結晶於籽晶上，在不斷提拉的過程中，生長出圓柱狀晶體。

　　泡生法與提拉法生長晶體在技術上的區別是: (1) 晶體直徑　在擴肩時前者的晶體直徑較大，可生長出100 mm 以上直徑的藍寶石晶體，而後者則有些難度; (2) 晶體方向　前者對生長大尺寸、有方向性的藍寶石晶體擁有更大的優勢;(3) 晶體質量　泡生法生長系統擁有適合藍寶石晶體生長的最佳溫度梯度。在生長的過程中或結束時，晶體不與坩堝接觸，大大減少了其應力，可獲得高質量的大晶體， 其缺陷密度遠低於提拉法生長的晶體，且兩者生長晶體的形狀也不同。