一、蓝宝石生长
1.1 蓝宝石生长方法
1.1.1 焰熔法Verneuil (flame fusion)
最早是1885年由弗雷米（E. Fremy）、弗尔（E. Feil）
和乌泽（Wyse）一起，利用氢氧火焰熔化天然的红宝石粉末
与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“ 日内瓦红宝石”。后
来于1902年弗雷米的助手法国的化学家维尔纳叶（Verneuil）
改进并发展这一技术使之能进行商业化生产。因此，这种方
法又被称为维尔纳叶法。
1）基本原理
焰熔法是从熔体中生长单晶体的方法。其原料的粉末在
通过高温的氢氧火焰后熔化，熔滴在下落过程中冷却并在种
晶上固结逐渐生长形成晶体。
2）合成装置与条件、过程
焰熔法的粗略的说是利用氢及氧气在燃烧过程中产生
高温，使一种疏松的原料粉末通过氢氧焰撒下焰融，并落在
一个冷却的结晶杆上结成单晶。下图是焰熔生长原料及设备
简图。这个方法可以简述如下。图中锤打机构的小锤7按一
定频率敲打料筒，产生振动，使料筒中疏松的粉料不断通过
筛网6，同时，由进气口送进的氧气，也帮助往下送粉料。
氢经入口流进，在喷口和氧气一起混合燃烧。粉料在经过高温火焰被熔融而落在一个温度较低的结晶杆2上结成晶体了。炉体4设有观察窗。可由望远镜8观看结晶状况。为保持晶体的结晶层在炉内先后维持同一水平，在生长较长晶体的结晶过程中，同时设置下降机构1，把结晶杆2缓缓下移。
焰熔法合成装置由供料系统、燃烧系统和生长系统组成，合成过程是在维尔纳叶炉中进行的。
A.供料系统
原料：成分因合成品的不同而变化。原料的粉末经过充分拌匀，放入料筒。如果合成红宝石，则需要Al2O
粉末和少量的 Cr2O3参杂，Cr2O3用作致色剂，添加量为 1-3%。三氧化
3
二铝可由铝铵矾加热获得。料筒：圆筒，用来装原料，底部有筛孔。料筒中部贯通有
一根震动装置使粉末少量、等量、周期性地从筛孔漏出。
震荡器：驱动震动棒震动，使料筒不断抖动，以便原料的粉末能从筛孔漏出。
B.燃烧系统
氧气管：从料筒一侧释放，与原料粉末一同下降；
氢气管：在火焰上方喷嘴处与氧气混合燃烧。通过控制管内流量来控制氢氧比例，
O 2:H
2
=1:3；氢氧燃烧温度为2500℃，Al2O3粉末的熔点为2050℃；
冷却套：吹管至喷嘴处有一冷却水套，使氢气和氧气处于正常供气状态，保证火焰以上
的氧管不被熔化
C.生长系统
落下的粉末经过氢氧火焰熔融，并落在旋转平台上的种晶棒上，逐渐长成一个晶棒（梨晶）。水套下为一耐火砖围砌的保温炉，保持燃烧温度及晶体生长温度，近上部有一个观察孔，可了解晶体生长情况。耐火砖的作用是保持炉腔的温度，使之缓慢下降，以便结晶生长。
旋转平台：安置种晶棒，边旋转、边下降；落下的熔滴与种晶棒接触称为接晶；接晶后通过控制旋转平台扩大晶种的生长直径，称为扩肩；然后，旋转平台以均匀的速度边旋转边下降，使晶体得以等径生长。
1.1.2泡生法Kyropoulos
这种方法是将一根受冷的籽晶与熔
体接触，如果界面的温度低于凝固点，
则籽晶开始生长，为了使晶体不断长大，
就需要逐渐降低熔体的温度，同时旋转
晶体，以改善熔体的温度分布。也可以
缓慢的（或分阶段的）上提晶体，以扩
大散热面。晶体在生长过程中或生长结
束时不与坩埚壁接触，这就大大减少了
晶体的应力。不过，当晶体与剩余的熔
体脱离时，通常会产生较大的热冲击。
生长装置如下图所示。可以认为目前常
用的高温溶液顶部籽晶法是该方法的改良和发展。
采用泡生法生长大直径、高质量、无色蓝宝石晶体的具体工艺如下：
1．将纯净的G-A1 O。原料装入坩埚中。坩埚上方装有可旋转和升降的提拉杆，杆的下端有一个籽晶夹具，在其上装有一粒定向的无色蓝宝石籽晶(注：生长无色蓝宝石时不添加致色
剂，籽晶也采用无色蓝宝石)；
2．将坩埚加热到2050℃以上，降低提拉杆，使籽晶插入熔体中；
3．控制熔体的温度，使液面温度略高于熔点，熔去少量籽晶以保证晶体能在清洁的籽晶表面上生长；
4．在实现籽晶与熔体充分沾润后，使液面温度处于熔点，缓慢向上提拉和转动籽晶杆；控制拉速和转速，籽晶逐渐长大；
5．小心地调节加热功率，使液面温度等于熔点，实现宝石晶体生长的缩颈——扩肩——等径生长——收尾全过程。
整个晶体生长装置安放在一个外罩内，以便抽真空后充入惰性气体，保持生长环境中需要的气体和压强。通过外罩上的窗口观察晶体的生长情况，随时调节温度，保证生长过程正常进行。
1.1.3温度梯度法Temperature gradient technique (TGT)
“导向温梯法”是以定向籽晶诱导的熔体单结
晶方法。包括放置在简单钟罩式真空电阻炉内的坩
埚、发热体和屏蔽装置，右图是装置简图。本装置
采用镅坩埚、石墨发热体。坩埚底部中心有一籽晶
槽，避免耔晶在化料时被熔化掉。为了增加坩埚稳
定性，籽晶槽固定在定位棒的圆形凹槽内。温场由
石墨发热体和冷却装置共同提供。发热体为被上下
槽割成矩形波状的板条通电回路的圆筒，整个圆筒
安装在与水冷电极相连的石墨电极板上。板条上半
部按一定规律打孔，以调节发热电阻使其通电后白
上而下造成近乎线性温差。而发热体下半部温差通
过石墨发热体与水冷电极板的传导来创造。籽晶附
近的温场还要依靠与水冷坩埚杆的热传导共同提供。
本方法与提拉法相比，有以下特点：
(1)晶体生长时温度梯度与重力方向相反，并且坩埚、晶体和发热体都不移动，这就避免了热对流和机械运动产生的熔体涡流。
(2)晶体生长以后，由熔体包围，仍处于热区。这样就可以控制它的冷却速度，减少热应力。而热应力是产生晶体裂纹和位错的主要因素。
(3)晶体生长时，固—液界面处于熔体包围之中。这样熔体表面的温度扰动和机械扰动在
到达固—液界面以前可被熔体减小以致消除。这对生长高质量的晶体起很重要的作用。
1.1.4提拉法Czochralski（CZ）
该方法的创始人是Czochralski，他的论文发表于
1918年。这是熔体生长最常用的方法之一。很多重要的
实用晶体是用这种方法制备的，近年来这种方法又取得
了几项重大的改进，能够顺利地生长某些易挥发的化合
物（如GaP和含Pb的化合物）和特殊形状的晶体（如
八边形、长4.5m的硅管、漏斗形等各种复杂形状的蓝宝
石晶体、带状硅和氧化物晶体）。
1.1.4.1 提拉法
提拉法的设备简图如右图所示。将预先合成好的多
晶原料装在坩埚中，并被加热到原料的熔点以上，此时，
坩埚内的原料就熔化为熔体，在坩埚的上方有一根可以旋转和升降的提拉杆，杆的下端带有一个夹头，其上装有籽晶。降低提拉杆，使籽晶插入熔体中，只要温度合适，籽晶既不熔掉也不长大，然后慢慢地向上提拉和转动晶杆。同时，缓慢地降低加热功率，籽晶就逐渐长粗，小心地调节加热功率，就能得到所需直径的晶体。整个生长装置安放在一个可以封闭的外罩里，以便使生长环境中有所需要的气氛和压强。通过外罩的窗口，可以观察到生长的情况。用这种方法已经成功地长出了半导体、氧化物和其他绝缘类型的大晶体。
这种方法的主要优点如下：
(1) 在生长的过程中可以方便地观察晶体的生长情况。
(2) 晶体在熔体表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能显著地减小晶体的应以，并放置埚壁的寄生成核。
(3) 可以方便地使用定向籽晶和“缩颈”工艺。缩颈后面的籽晶，其位错可大大减少，这样可以使放大后生长出来的晶体，其位错密度降低。
总之，提拉法生长的晶体，其完整性很高，而生长率和晶体尺寸也是令人满意的。例如，提拉法生长的红宝石与焰熔法生长的红宝石相比，具有较低的位错密度，较高的光学均匀性，也不存在锒嵌结构。
1.1.4.2 连续加料提拉法
提拉法生长晶体中，另一重要的改进就是连续加料提拉法的应用。该法首先被Ya.Apilat 和Yu.P.Belogurov等所应用。右图所示是该种设备的简易示意图，通过坩埚内一个高灵敏度的熔体液面规来控制熔体的温度和晶体直径。在坩埚内，一边提拉晶体，一边补充所消耗的
原料。具体过程如下：通过导管将原料m引入圆形槽1中，在那里熔融后，流入坩埚2内，坩埚被安放在可旋转的支撑环3上，支撑环3和晶体9可同步旋转，以保证在生长过程中熔体的轴向温场的对称性。由于晶体的直径很大，而晶体和埚壁之间的距离很小，因此，晶体直径的微笑变化（生长界面的高度也相应变化）将引起液面高度的明显变化。一个带有铂探针5的熔体液面规4能根据液面高度的微笑改变，通过补偿电路6而相应地调节坩埚的附加点源，是液面的高度保持恒定，以保证晶体的生长重量与补加原料的重量始终相等，从而达到自动控制晶体直径的目的。由于在生长过程中，坩埚内不断地有原料补充，从而使所需要提拉晶体的尺寸不受坩埚内物料的限制，晶体的尺寸可以长大。
1.1.4.3 冷心放肩微量提拉法(SAPMAC)
冷心放肩微量提拉法(Sapphire growth
technique with micro-pulling and shoulder
expanding at cooled center，SAPMAC)是在对泡生
法和提拉法改进的基础上发展而来用于生长大尺寸
蓝宝石晶体的方法，晶体生长系统主要包括控制系
统、真空系统、加热体、冷却系统和热蔽装置等，右
图是晶体生长系统简图。该方法生长的单晶，外型通
常为梨形，晶体直径可以生长到比坩埚内径小
l0~20mm的尺寸。籽晶被加工成劈形，利用籽晶夹固
定在热交换器底部。热交换器可以完成籽晶的固定、
晶体的转动和提拉，以及热交换器、晶体和熔体之间
热量的交换作用。加热体、冷却系统和热屏蔽装置协
同作用，为晶体生长提供一个均匀、稳定、可控的温场。根据晶体生长所处的引晶、放肩、等径和退火及冷却阶段的特点，通过调节热交换器中工作流体的温度、流量，加热温度(加热体所能提供的坩埚外壁环境温度)可以精确控制晶体和熔体内温度梯度、热量传输、完成晶体生长。
冷心放肩微量提拉法生长蓝宝石晶体时，通常可将整个晶体生长过程分为四个控制阶段，即引晶、放肩、等径、退火及冷却阶段。引晶与放肩阶段主要是利用调节热交换器散热能力，适当配合一定的降低加热温度(加热系统所能提供的坩埚外壁温度)的方式来实现对晶体的缩颈和放肩控制。此时晶体生长界面凸出率及温度梯度较大，其有利于采用较大的放肩角，减小放肩距离，防止界面翻转，同时能够将籽晶内的位错等原有缺陷快速从晶体中扩散到晶体表面，有效降低晶体内的缺陷含量。较大的界面温度梯度还能够提高晶体生长驱动力，增加
界面稳定性。待晶体直径长到所需尺寸(冷心放肩微量提拉法晶体直径可以长到距坩埚内壁
1~3cm)后，晶体开始等径生长，进入等径阶段。随着晶体尺寸的长大，热交换器的散热对晶体生长效率迅速减小，故晶体进入等径生长阶段后，主要是通过降低加热温度(加热系统所能提供的坩埚外壁温度)来实现晶体生长。
该方法主要特点：
1)通过冷心放肩，保证了大尺寸晶体生长，整个结品过程晶向遗传特性良好，材料品质优良。
2)通过高精度的能量控制配合微量提拉，使得在整个晶体生长过程中无明显的热扰动，缺陷萌生的几率较其他方法明显降低。
3)由于只是微量提拉，减少了温场扰动。使温场更均匀，从而保证单晶生长的成功率。
4)在整个晶体生长过程中，晶体不被提出坩埚，仍处于热区。可以精确控制它的冷却速度，减少热应力。
5)适合生长大尺寸晶体，材料综合利用率是泡生法的1.2倍以上。
6)选用水作为热交换器内的工作流体，晶体可以实现原位退火，较其他方法试验周期短、成本低。
七大晶系详细图解
一、四方晶系 。其中两个水平轴（X 四方晶系四方晶系的三条晶轴互相垂直，即α=β=γ=90° 轴、Y轴）长度一样，Z轴的长度可长可短，通俗的说：四方晶系的晶体大多是 四棱的柱状体，有的是长柱体，有的是短柱体，即其晶胞必具有四方柱的形状。 横截面为正方形，四个柱面是对称的，即相邻和相对的柱面都是一样的，但和 顶端不对称。所有主晶面交角都是90。特征对称元素为四重轴。如果Z轴发育，它就是长柱状甚至针状；如果两个横轴（X轴、Y轴）发育大于Z轴，那么晶体就会呈现四方板状，最有代表的就是磷酸二氢钠和硫酸镍β了。 常见的立方晶系的晶体模型图： 注：柱体的棱角发育成窄小晶面，此种晶体又叫“复四方”——四个主柱面，四个小柱面。 晶体实物图：
三、斜方晶系 斜方晶系的晶体中三个轴的长短完全不相等，它们的交角仍然是互为90度垂直。即X≠Y≠Ｚ。Z轴和Y轴相互垂直90°。X轴与Y轴垂直，但是不与Z轴垂直，即α=γ=90，β>90°与正方晶系直观相比，区别就是：x轴、y轴长短不一样。如果围绕z轴旋转，四方晶系旋转九十度即可使x轴y轴重合，旋转一周使x轴y轴重合四次（使另两轴重合的次数多于两次，该轴称“高次轴”），四方晶系有一个高次轴，也叫“主轴”。斜方晶系围绕z轴旋转，需180度才可使x轴y 轴重合，旋转一周只重合两次，属低次轴。也就是说，斜方晶系的对称性比四 方晶系要低。特征对称元素是二重对称轴或对称面。其实，斜方晶系的晶体如 果围绕x轴或y轴旋转，情况与围绕z轴旋转相同。换句话说，斜方晶系没有 高次轴，或曰没有理论上的主轴。从模型上看，四方晶系的x轴和y轴所指向的晶面完全都是对称相同的，斜方晶系的x轴和y轴所指向的晶面却是各自相等的。
蓝宝石晶体生长技术回顾 (2011-07-12 15:21:18) 转载 分类：蓝宝石晶体 标签： 蓝宝石 晶体生长 技术 历史 杂文 杂谈 引言 不少群众提出意见，博主说了这多不行的，能不能告诉广大投身蓝宝石长晶事业的什么设备行？说实话，这真的是为难我了！怎么讲？举个例子吧，Ky技术设备在Mono手里还真的是Ky，但到了你手里可能就是YY了。 可能你觉得受打击了，可是没有办法啊，事实如此啊，实话听 起来往往比较刺耳！本博主前面发表的《从缺陷的角度谈谈蓝宝石生长方向的选择》博文，迄今为止只有寥寥无几群众真正看出精髓所在..................................不服气群众可以留言谈谈自己了解了什么？ 古人云“博古通今”、“温故知新”，我觉得很有道理，技术之道也是如此。如果没有对以往技术的熟练掌握、熟知精髓所在，没有
对以往技术的总结提炼，你就不可能对一个新技术真正的掌握。任何新技术新设备到你手里，充其量你只是一个熟练操作工而已。 还觉得不信的话，我就在这篇博文里用大家认为最古老的火焰法宝石生长的经验理论总结来给大家进行目前流行的衬底级蓝宝石晶体生长进行理论指导。 蓝宝石晶体生长技术简介
焰熔法（flame fusion technique）&维尔纳叶法（Verneuil technique） 1885年由弗雷米（E. Fremy）、弗尔（E. Feil）和乌泽（Wyse）一起，利用氢氧火焰熔化天然的红宝石粉末与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“日内瓦红宝石”。后来于1902年弗雷米的助手法国的化学家维尔纳叶（Verneuil）改进并发展这一技术使之能进行商业化生产。因此，这种方法又被称为维尔纳叶法。 弗雷米（E. Fremy）、弗尔（E. Feil）和乌泽（Wyse）这几个哥们实际上就是做假珠宝的，一群有创新精神的专业人士。 博主对两类造假者比较佩服，一类是以人造珠宝以假乱真的，一类是造假文物的。首先、他们具有很高的专业素养；其次、他们也无关民生大计；还有利于社会财富的再分配。 至于火焰法简单的描述我就不啰嗦了，我讲讲一些你所不知道的火焰法长宝石的一些前人总结；这些总结和经验对今天的任何一种新方法长蓝宝石单晶都是有借鉴意义的。 100多年来火焰法工作者在气泡、微散射，晶体应力和晶体生长方向的关系，晶体生长方向与缺陷、成品率之间的关系做了大量的数据总结，可以讲在各个宝石生长方法中研究数据是最完备的。在这篇博文里我只讲讲个人认为对其他方法有借鉴意义的一些总结。
1.晶向的本质是蓝宝石分子结构的问题： 上图为分子结构图，主要写了蓝宝石单晶六方晶系。 2. 蓝宝石晶向成像原理。 蓝宝石在这种分子结构的情况下，会有不同方向的分子层面，对X射线会有反射作用，从而产生晶向。 详细见下图：
分子层形成 了C面 分子层形成 了M面 分子层形成 了A面
分子层形成 了R面 分子层形成 了N面 3.晶向值形成的原因： X射线在经过分子层后，会产生折射和反射。在特定的某个角度入射会让反射的X光呈现平行状态（如下图），接收器接受的X射线强度比较大，该角度称为晶向值。但由于各个面的分子层间隙不同，所以产生的晶向值也不同。 标准晶向值如下： C面：20°50′ A面：18°55′ M面：34°06′ R面：26°16′ N面：21°43′
入射角，也叫做 晶向值。 分子层间隙，各 晶向分子层间 隙不同，晶向值 也不同。 4.分子晶向图 在下图中可以直观的看出蓝宝石分子晶向。 5.蓝宝石分子结构，对其物理性能的影响。 a.光学性能：C轴均有晶光性，其他轴具有负光性。（所以一般衬底行业都用C向晶片。） b.硬度：A向硬度明显高于C向，具体表现在耐磨，耐刮，硬度高。（我们磨A向砂轮需要特制的，或者明显降低研磨效率。A向晶片大多用于作为窗口材料，如手表镜片） c.切割时M面易开裂：C面为平面，最好切。A面为Z型锯齿状面，比较好切。M面为阶梯锯齿状，不好切，容易切裂。切割示意图如下：
C向切割，平面，比较好切，不容易切裂 A向切割，锯齿面，比较好切，不容易切裂
6.晶向对其其他性能的影响。 未知，有其他的客户反馈，以OF面为底面2寸晶棒在R9点钟方向的晶棒不容易裂片，也有其他客户反馈，以OF面为底面4寸晶棒在R3点钟方向的晶棒不容易裂片。 个人觉得，因为蓝宝石的结构的对称性，R3和R9并没有太大的区别，只是分子有些不同，具体应该考虑使用的方面，通过实验确定。 M向切割，阶梯状锯齿面，不好切，很容易切裂
晶体结构解析 1、挑选直径大约为0.1–1.0mm的单晶。 CCD的准直管直径有0.3mm，0.5mm，0.8mm；分别对应得晶体大小是0-0.3mm, 0.3-0.5mm, 0.5-0.8mm. 2、选择用铜靶还是钼靶？ 铜靶要求θmax〉=66度，最大分辨率是0.77埃 钼靶要求θmax〉=25度，最大分辨率是0.36埃 3、用smart程序收集衍射数据：得到大约一千张倒易空间的衍射图像，300M大小。其中matrix图像45张，分成三组，每组15张，用以判定晶体能否解析。 4、用saint程序还原衍射数据：得到很多文件，但是只有三个文件是我们需要的：-ls，p4p，raw。 -ls文件中包含有最大的和最小的θ角，有效地精修衍射点数目。好像不同的机器或者还原程序得到的文件不同，有的是hkl，abs。 5、用shelxtl程序处理上述数据，并画出需要的图形。 5.1 装好shelxtl程序，新建一个project，输入要建立工程的名字，然后打开要解析的p4p或者raw文件。 5.2 用xprep程序确立空间群，建立指令文件 这个过程基本上是一直按回车键的过程（除了在要输入化学成分的时候改动一下和在是否建立指令文件的时候输入Y即可），一般不会出错。如果出错，那就要重新对空间群进行指认（出错可能是出现在下面的精修过程中）。 一般Mean（I/sigma）〉2才可以，越大越好。得到ins，hkl，pcf三个重要数据文件。 其中ins文件：包含分子式，空间群 等信息； hkl文件：包含的是衍射点的强度 数据； pcf文件：记录了晶体物理特征， 分子式，空间群，衍射数据收集的条 件以及使用的相关软件等信息。 5.3 选择要解析的方法：直接法 （TREF）还是帕特深法（PATT）？ 如果晶体中含有重原子如金属原 子，那就要用PATT法；如果晶体中 没有原子量差异特别大的原子，就用 TREF法。默认的方法是直接法。 5.4 用xs程序解析粗结构 得到res文件：包含了ins文件的内 容和所有的Q峰信息。 5.5 用xp程序与xl程序完成原子的 指认，付利叶加氢或理论加氢，画图 等。 达到比较好的结果标准： A 化学上合理（键长、键角、价态） B R1 <0.08（0.06），wR2 <0.18（0.16）， goof=S=1+-0.2(1.00) C R(int)<0.1,R(singma)<0.1 D Maximum=0.000 5.5.1 原子的指认 打开xp 输入fmol 出现一系列的Q峰信息。每次打开 xp后都要先输入此命令。 输入pick 进入Q峰之间连接的结构体系中。 根据化学经验（键长，键角以及连接 方式）和自己晶体的预测的结构，对 Q 峰进行取舍。 取舍完毕后，进行原子的命名。当闪 点在某个原子上时，从键盘上输入要 命名的原子的符号，然后回车；闪点 就会跳到下一个要命名的Q峰上。当 闪点在某个Q峰上时，如果直接回 车，会删掉此原子，用backspace可 以复原；如果直接敲空格键，闪点会 跳到下一个Q峰上。 敲“/”键，保存命名结果，退出；敲 “esc”键，不保存结果，退出。 输入pers 可以看棍球图，如果有错误的原子命 名，可以继续用pick命令进行修改。 输入proj 可以看到结构图，并可以旋转观看 输入grow 可以长出对称的单元。如果没有对称 的单元，则此命令无效。 输入fuse 删除grow出来的原子和其他操作长 出的原子，这些原子不能带入精修的 过程中。 输入sort /n 对原子进行排序，按照原子名称的 序号；如果输入sort $C $N则按照原 子种类进行排序。 输入file name.ins 保存所作的命名信息。会有提示询 问是否从name.res中拷贝信息，直接 回车。 注意：name指用xs解析时命名的作 业名，不能更改。 输入quit 退出程序，敲esc退出程序 5.5.2 用xl进行精修 点击xl 出现精修过程，看是否符合5.5中 的标准（可以关闭xl后，通过增加 ins中的ls的次数或者copy name.res to name.ins 命令进行反复精修，切记 每次xl精修后生成的是res文件，因 此要将res拷贝成ins再次进行精修 才有效）。 如果其他的条件不符合，则要修改 ins文件：加入 anis（对所有指令后的非氢原子进 行各向异性精修，anis n对指令后的 前n个原子进行各向异性精修，anis C对指令后的指定原子进行各向异 性精修） omit（忽略指定的衍射点，一般都 要用到omit 0 52）
一、蓝宝石生长 1.1 蓝宝石生长方法 1.1.1 焰熔法Verneuil (flame fusion) 最早是1885年由弗雷米（E. Fremy）、弗尔（E. Feil） 和乌泽（Wyse）一起，利用氢氧火焰熔化天然的红宝石粉末 与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“ 日内瓦红宝石”。后 来于1902年弗雷米的助手法国的化学家维尔纳叶（Verneuil） 改进并发展这一技术使之能进行商业化生产。因此，这种方 法又被称为维尔纳叶法。 1）基本原理 焰熔法是从熔体中生长单晶体的方法。其原料的粉末在通 过高温的氢氧火焰后熔化，熔滴在下落过程中冷却并在种晶 上固结逐渐生长形成晶体。 2）合成装置与条件、过程 焰熔法的粗略的说是利用氢及氧气在燃烧过程中产生高 温，使一种疏松的原料粉末通过氢氧焰撒下焰融，并落在一 个冷却的结晶杆上结成单晶。下图是焰熔生长原料及设备简 图。这个方法可以简述如下。图中锤打机构的小锤7按一定 频率敲打料筒，产生振动，使料筒中疏松的粉料不断通过筛 网6，同时，由进气口送进的氧气，也帮助往下送粉料。 氢经入口流进，在喷口和氧气一起混合燃烧。粉料在经过高温火焰被熔融而落在一个温度较低的结晶杆2上结成晶体了。炉体4设有观察窗。可由望远镜8观看结晶状况。为保持晶体的结晶层在炉内先后维持同一水平，在生长较长晶体的结晶过程中，同时设置下降机构1，把结晶杆2缓缓下移。 焰熔法合成装置由供料系统、燃烧系统和生长系统组成，合成过程是在维尔纳叶炉中进行的。 A.供料系统 原料：成分因合成品的不同而变化。原料的粉末经过充分拌匀，放入料筒。如果合成红宝石，则需要Al2O 粉末和少量的 Cr2O3参杂，Cr2O3用作致色剂，添加量为 1-3%。三氧化二 3 铝可由铝铵矾加热获得。料筒：圆筒，用来装原料，底部有筛孔。料筒中部贯通有一根
晶体典型考题、考点解析 对于晶体知识的考查是历年高考化学的重点内容，也是难点内容，在整套试卷中一般属于较难和很难的试题。那么，高考中对于晶体的考查角度有哪些？考题类型有哪些？下面以高考题或者各地模拟题为例予以说明。 一、考查对晶体概念的理解 例1．.(2004年上海化学)有关晶体的下列说法中正确的是( ) A．晶体中分子间作用力越大，分子越稳定 B．原子晶体中共价键越强，熔点越高 C．冰熔化时水分子中共价键发生断裂 D．氯化钠熔化时离子键未被破坏 解析：分子间作用力与分子的稳定性没有关系，如HBr的分子间作用力要大于HCl的作用力，而HBr却不如HCl稳定；冰熔化时破坏只是水分子之间的分子间作用力，O－H 之间的共价键并没有被破坏；氯化钠熔化时，离子键被破坏生成了钠离子和氯离子。 答案：B。 二、考查对晶体类型的判断 例2、（2004年广东化学）X是核外电子数最少的元素，Y是地壳中含量最丰富的元素，Z在地壳中的含量仅次于Y，W可以形成自然界最硬的原子晶体。下列叙述错误的是（）A．WX4是沼气的主要成分B．固态X2Y是分子晶体 C．ZW是原子晶体D．ZY2的水溶液俗称“水玻璃” 解析：这类试题往往通过原子结构知识，或者各种晶体的性质特点对晶体类型进行推断。根据题干对X、Y、Z、W的提示信息可以推知：X：H，Y：O，Z：Si，W：C。由此可以得知：WX4是CH4，X2Y是H2O，ZW是SiC，ZY2的是SiO2。又因为SiO2不能溶解于水，所以错误答案是D。 答案：D。 三、考查对晶体结构的判断 例3、（2005年北京海淀模拟）下列晶体，每个原子都被相邻的4个原子包围，以共价键相结合形成正四面体结构，并向空间发展构成网状结构的是（）A．甲烷晶体B．晶体硅C．石墨D．水晶 解析：对晶体结构及晶体中原子、分子的环境也是近年来考查的热点，高考复习要多加
蓝宝石的鉴赏方法 通过对晶体几何结晶学的学习，我想谈谈结晶学在蓝宝石的鉴赏和鉴定方法方面的应用。 蓝宝石的成分为刚玉（ Al O），广义的蓝宝石是指除红宝石以外的所有宝 23 石级的刚玉。狭义上的蓝宝石则专指呈现蓝色的透明且杂质较少并不影响石质的宝石级刚玉。刚玉本身纯者无色透明，因含微量元素钛（4 Ti+）或铁（2 Fe+）而呈蓝色。一般是靛蓝、蓝、浅蓝乃至绿、灰蓝等。晶体形态常呈筒状、短柱状、板状等，几何体多为粒状或致密块状。 蓝宝石属三方晶系，对称型32 L L PC，其光学性质具有各向异性，故有双 33 折射现象。折光率1.76-1.77，双折射率0.008。由于晶体的水平结晶轴（a、b）单位相等，故为一轴晶光率体，以对称轴3L作为光轴，符合光在非均质体的传播特点。 光束入射到各向异性的晶体，分解为两束光而沿不同方向折射的现象。光在非均质体中传播时，其传播速度和折射率值随振动方向不同而改变，其折射率值不止一个。光波入射非均质体，除特殊方向以外，都要发生双折射，分解成振动方向互相垂直，传播速度不同，折射率不等的两种偏振光，此现象称为双折射。其中的特殊方向即为光轴。当光沿光轴射入时，双折射率值为零，光垂直光轴射入时，双折射率最大。 此外，蓝宝石的二色性强。一般有深蓝色、蓝色、浅蓝色、蓝绿色、蓝灰色。二色性是一轴晶彩色宝石在二个主振动方向上呈现的二种不同颜色的现象。因人工蓝宝石二色性不明显，故宝石的二色性有一定的鉴定作用。 有时还具有特殊的光学效应——星光效应。宝石级刚玉若在加工过程中，垂直刚玉光轴切割，则可能出现六道放射状星线，呈现星光效应，故称之为星光蓝宝石。产生星光效应的原因是蓝宝石中含有金红石绢丝状包体，将其加工成高弧面形，在点光源的照射下，便会出现这种光学效应。星光蓝宝石一般价格较昂贵，总体来讲，蓝宝石颜色的优劣依次是紫罗兰色、蓝色、淡蓝色、灰蓝色。 当前世界上人工合成蓝宝石已大批量产出，其化学成分、物理光学性质几乎与天然蓝宝石无多大区别，用物理、化学方法和仪器进行检验也难以区别的，但可以参照下列方法加以鉴别： 天然的蓝宝石有直线状、平行的六方色带，而人造的蓝宝石所具有的珠宝检测是弯曲的色带或条纹。 天然结晶往往是凌乱的、无序的，而合成的蓝宝石，结晶往往十分有序。 天然的宝石总是有些杂质，洁净无瑕的几乎没有。合成的蓝宝石，往往色泽
《认识晶体》习题 1．下列叙述正确的是() A．固体SiO2一定是晶体 B．晶体有固定的组成，非晶体没有固定的组成 C．晶体内部的微粒按一定规律呈周期性有序排列 D．凡具有规则外形的固体一定是晶体 解析：选C。从晶体与非晶体的本质差异上来判断。固体SiO2有结晶和无定形两类，故A项错误；非晶体如玻璃同样有固定的组成，故B项错误；晶体的特殊性质都是其内部微粒按一定规律周期性排列的结果，故C项正确；晶体有规则的几何外形，但有规则几何外形的固体不一定是晶体，故D项错误。 2．关于如图不．正确的说法是() A．此种最密堆积为面心立方最密堆积 B．该种堆积方式称为A1型最密堆积 C．该种堆积方式可用符号“…ABCABC…”表示 D．该种堆积方式为A3型最密堆积 解析：选D。从垂直方向看三层球心均不在一条垂直线上，故为A1型最密堆积，故D项说法不正确。 3．(2011年山东日照高二检测)等径圆球形成的A1型最密堆积和A3型最密堆积中，每个球的配位数分别是() A．3，3 B．12，12 C．3，6 D．6，6 解析：选B。等径圆球形成的A1型最密堆积和A3型最密堆积中，每个球的配位数都是12，其中同一层上是6，相邻两层各有3。 4．某晶体的一部分如图所示，这种晶体中A、B、C三种粒子数之比是() A．3∶9∶4 B．1∶4∶2 C．2∶9∶4 D．3∶8∶4 解析：选B。A粒子数为6×1 12＝1 2；B粒子数为6× 1 4＋3× 1 6＝2；C粒子数为1。故A、B、C、粒 子数之比为1∶4∶2。 5．某离子晶体晶胞结构如图，(●)X位于立方体的顶点，(○)Y位于立方体的中心，试分析：(1)晶体中每个Y同时吸引着________个X，每个X同时吸引着________个Y，该晶体的化学
1.晶向的本质是蓝宝石分子结构的问题： 图为分子结构图，主要写了蓝宝石单晶六方晶系。 2.蓝宝石晶向成像原理。 蓝宝石在这种分子结构的情况下，会有不同方向的分子层面，对X 射线会有反射作用，从而产生晶向。 详细见下图：
分子层形成 了C 面 分子层形成 了M面
3.晶向值形成的原因： X 射线在经过分子层后，会产生折射和反射。在特定的某个角度入射会让反射的X 光呈现平行状态（如下图），接收器接受的X 射线强度比较大，该角度称为晶向值。但由于各个面的分子层间隙不同，所以产生的晶向值也不同。 标准晶向值如下： C20°50 A 面：18°55 ′ M 面：34°06 ′ R 面：26°16 ′ N 21°43分子层形成 分子层形成 了N面
4.分子晶向图 在下图中可以直观的看出蓝宝石分子晶向。 5.蓝宝石分子结构，对其物理性能的影响。 a.光学性能：C 轴均有晶光性，其他轴具有负光性。（所以一般衬底行业都用C 向晶片。） b.硬度：A 向硬度明显高于C向，具体表现在耐磨，耐刮，硬度高。（我们磨A 向砂轮需要特制的，或者明显降低研磨效率。A 向晶片大多用于作为窗口材料，如手表镜片） c.切割时M 面易开裂：C面为平面，最好切。A面为Z型锯齿状面，比较好切。M 面为阶梯锯齿状，不好切，容易切裂。切割示意图如下：
6.晶向对其其他性能的影响。 未知，有其他的客户反馈，以OF面为底面2 寸晶棒在R9 点钟方向的晶棒不容易裂片，也有其他客户反馈，以OF面为底面4 寸晶棒在R3点钟方向的晶棒不容易裂片。个人觉得，因为蓝宝石的结构的对称性，R3和R9 并没有太大的区别，只是分子有些不同，具体应该考虑使用的方面，通过实验确定。
蓝宝石介绍 常用晶体生长方法: Czochralski Method (柴氏拉晶法，又称为提拉法)：Pull from the melt. Kyropoulos Method (凯氏长晶法，又称为泡生法): Dip and turn. 温度梯度法(TGT法) EFG Method (导模法，Edge Defined Film-fed Growth): Pull through die. 热交换法(Heat Exchange Method，HEM)
垂直水平温度梯度冷却法(Vertical Horiaontal Gradient Freezing，VHGF): 韩国Sapphire Technology Company (STC)技术。 ES2-GSA长晶法：美国Rubicon Technology Inc.技术。 由于钨钼具有耐高温、低污染等特性，被广泛用来做蓝宝石长晶炉的热场部件，包括钨坩埚/钼坩埚、发热体、钨筒、隔热屏、支撑、底座、籽晶杆、坩埚盖等。发热体 采用鸟笼结构钨发热体或者钨网发热体，有利于提供均匀稳定的温场。 化学式 Al2O3 相对分子质量 101.96 性状 白色结晶性粉末。无臭。无味。质极硬。易吸潮而不潮解。溶于浓硫酸，缓慢溶于碱液 中形成氢氧化物，几乎不溶于水及非极性有机溶剂。相对密度(d204)4.0。熔点约2000℃。 用途 1. 红宝石、蓝宝石的主成份皆为氧化铝，因为其它杂质而呈现不同的色泽。红宝石含有 氧化铬而呈红色，蓝宝石则含有氧化铁和氧化钛而呈蓝色。 2. 在铝矿的主成份铁铝氧 石中，氧化铝的含量最高。工业上，铁铝氧石经由Bayer process纯化为氧化铝，再由 Hall-Heroult process转变为铝金属。 3. 氧化铝是金属铝在空气中不易被腐蚀的原因。 纯净的金属铝极易与空气中的氧气反应，生成一层致密的氧化铝薄膜覆盖在暴露于空气中铝 表面。这层氧化铝薄膜能防止铝被继续氧化。这层氧化物薄膜的厚度和性质都能通过一种称 为阳极处理（阳极防腐）的处理过程得到加强。 4. 铝为电和热的良导体。铝的晶体形 态因为硬度高，适合用作研磨材料及切割工具。 5. 氧化铝粉末常用作色层分析的媒介 物。 6. 2004年8月，在美国3M公司任职的科学家开发出以铝及稀土元素化合成的合 金制造出称为transparent alumina的强化玻璃。资料：刚玉粉硬度大可用作磨料，抛 光粉，高温烧结的氧化铝，称人造刚玉或人造宝石，可制机械轴承或钟表中的钻石。氧化铝 也用作高温耐火材料，制耐火砖、坩埚、瓷器、人造宝石等，氧化铝也是炼铝的原料。煅烧 氢氧化铝可制得γ-Al2O3。γ-Al2O3具有强吸附力和催化活性，可做吸附剂和催化剂。刚玉 主要成分α-Al2O3。桶状或锥状的三方晶体。有玻璃光泽或金刚光泽。密度为3.9～4.1g/cm3， 硬度9，熔点2000±15℃。不溶于水，也不溶于酸和碱。耐高温。无色透明者称白玉，含微 量三价铬的显红色称红宝石；含二价铁、三价铁或四价钛的显蓝色称蓝宝石；含少量四氧化 三铁的显暗灰色、暗黑色称刚玉粉。可用做精密仪器的轴承，钟表的钻石、砂轮、抛光剂、 耐火材料和电的绝缘体。色彩艳丽的可做装饰用宝石。人造红宝石单晶可制激光器的材料。 除天然矿产外，可用氢氧焰熔化氢氧化铝制取。氧化铝化学式Al2O3，分子量101.96。 矾土的主要成分。白色粉末。具有不同晶型，常见的是α-Al2O3和γ-Al2O3。自然界中的刚 玉为α-Al2O3，六方紧密堆积晶体，α-Al2O3的熔点2015±15℃，密度3.965g/cm3，硬度
神坛上的美国蓝宝石晶体生长设备 (2011-07-01 12:07:38) 转载 标签： 分类：蓝宝石晶体 arc gt hem tgt 坩锅下降法 蓝宝石晶体生长 杂谈 引言 华裔背景的美国科学家朱棣文博士因激光冷却和俘获原子的实验而分享了1997年的诺贝尔物理学奖。获奖后朱棣文博士访问中国的第一站选择了中国科学院上海光学精密机械研究所拜访王育竹院士。因为王育竹院士比获得1997年诺贝尔物理学奖的朱棣文博士早了近10年就提了关于激光冷却的实验方法和理论设想，但是实验必需器材的购置费120万元迟迟未申请到，以致拖了14年才出成果，结果当然他不可能拿诺贝尔奖。 向王育竹院士表示致敬！ ………………………………………………………………… 话说世界500强联合利华新换了一批自动香皂包装机以后，经常出现香皂盒子是空的没有香皂情况，而在装配线一头用人工检查因为效率问题不太可能而且不保险，这不，一个由自动化，机械，机电一体化等专业的博士组成的Solution队伍来解决这个问题，没多久他们在装配线的头上开发了全自动的X光透射检查线，透射检查所有的装配线尽头等待装箱的香皂盒，如果由空的就用机械臂取走。 同样，中国一乡镇企业生产香皂也遇到类似问题，老板吩咐线上小工务必想出对策解决之，小工拿了一个电风扇放在产线上吹风。 一堆最先进的零部件的堆积物，未必是最合适的机器。............................................................................ 事关中国人面子的诺贝尔奖，我们纠结了很多很多年..............其实大可不必，诺贝尔奖已经带有了浓厚的政治色彩.............. 如果我们老百姓能安居乐业、如果有一个让我们的科技工作者心无旁鹫安心工作的环境、如果我们的百姓人人从心底就淡定................不要说我们从未拿过诺贝尔，即使从未有奥运奖牌又能如何？ 不能为官员的面子而活，要为百姓的尊严而活！ 中国从来不缺乏优秀的人才，只是缺乏合适的制度和尊重知识的土壤。在急功近利的环境中，我们缺乏的是自信和心态;喜欢神话，能为有钱人服务的神话.................尤其是外来的神话。 神坛上美国蓝宝石晶体生长设备 本博主学习和研究晶体生长技术十五年以上，也跑过不少国家和地区，对晶体生长技术和设备的发展水平自认为略知一二。十多年前开始跟踪蓝宝石晶体生长的技术和设备，应该讲前苏联地区的水平在世界上是处于领先水平的。跟踪Crystal System 也是在十年前的事了；在本人的学识范围内，晶体生长的技术和设备绝对是一个需要理论和经验相结合的一个技术活。
CZ,KY,HEM法比較 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介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介面上，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介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，待熔湯與晶種介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. 3.美國Crystal Systems用於生長單晶藍寶石(Sapphire)的熱交換法(Heat exchange method，HEM熱交換法)，它的長晶特點是通過氦氣冷卻坩堝的中心底部，保持籽晶不被熔化，並在長晶過程中帶走熱量，控制單晶不斷地生長，HEM法制得的晶體缺陷少且可生產大尺寸晶體 以上三種方法是現在各國最常用的,各有各的好處,但已成本來算,基本上能長得大,缺點少就是最佳的,以現在來說HEM法與泡生法在生長尺寸上來說,沒有太大差異,但成本上泡生法較低,而現在CrystalTech HEM法爐體,生長晶體,最大只能到60kg,故二者必須做一抉擇, 依本人建議使用泡生法的爐子較佳,至少他目前已經可以長到85kg,且餘料還可做其他應用之銷售,更可降低成本 三種方法之成本 藍寶石晶體之成本,是需要將各項所發生的項目,累積計算的,但基本上只要生產出所需要的產品量越多,加工及耗材越少,成本就越低,這是不爭的事實,如同MOCVD生長片數少是一樣的,但現在無法計算其成本,只有等操作時,才可詳細計算, 至於兆晶與華夏的成本相差很大,是因為 1.華夏晶體長的小而少,切,磨,拋,都必須委外,而兆晶是自己加工且晶棒由鑫晶鑽提供,自然成本低,在加上在加工制程中,不斷的改進成本更可掌握 1、蓝宝石详细介绍 蓝宝石的组成为氧化铝(Al2O3)，是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式
全球十大蓝宝石晶棒厂商高工LED市场调研分析蓝 宝石衬底 国际市场，全球七大蓝宝石晶棒厂商2018年产能约在去年的基础上翻一番，达到500万毫米/月（约合650万片2英寸基板）。其中Rubicon仍将在2018年占据全球龙头地位，只是，韩厂Sapphire Technology Company (STC)因扩产脚步相对较快，有望于2018年底接近Rubicon并在2019年实现超越。 2018年随着扩产打算的实施，Rubicon、STC、Monocrystal三大厂商将占据全球蓝宝石晶棒约四成产能，那个比例较去年下滑17%。那个现象讲明全球蓝宝石晶棒的产能分布开始趋于平均，同时后来者开始发力扩充产能赶超三大巨头，其中最为明显的确实是韩厂STC 首次挤压日本两大厂商及俄罗斯Monocrystal跃居第二位。2018年虽全球蓝宝石晶棒要紧厂商扩产速度不一，但依其扩产目标来看，STC以新增产能45万毫米位居首位，那个趋势可能导致2018年Rubicon被STC挤压后退至老二的位置。 与此同时，随着台厂越峰积极扩产，2018年底产能可望跃升至全球第5位，而导致日厂京瓷（Kyocera）与并木周密宝石（Namiki Precision Jewel）排名将分不后退至第6位与第7位。 数据来自：高工LED产业研究所（GLII）市场调研，目前1毫米厚度蓝宝石晶棒能够切割成大约1.2-1.4片基板（衬底） 除了韩厂STC及Astek挤进全球前十大厂商行列之外，三星LED近日公告称将与住友化学合资成立LED蓝宝石公司，新公司初期资本额将为800亿韩元左右（约7200万美元），将由三星LED与住友化学各持股一半，业务涵盖LED用蓝宝石晶棒生长至切割。 合资公司打算于2018年完成工厂兴建，且自2019年初起量产。届时年产能达到2寸500万片，或4寸120万片。上述产能与目前日厂京瓷蓝宝石晶棒产能相当。 除住友化学外，与三星集团关系紧密的Hansol Technics已定下LED用蓝宝石晶棒的年产能目标，估量在2019年底将升至420万毫米/年。若将两大项目的年产能相加，至2019年两家合计将可供应近千万片2英寸蓝宝石基板。 一季度国内蓝宝石新增投资再创新高产能开释要到2019年 2018年国内上游外延领域的MOCVD规划数字不断刷新引发的蝴蝶效应，导致新一轮蓝宝石长晶及衬底项目投资浪潮。
蓝宝石玻璃特性解析 2014-10-28 一直以来，手机材质的选择与使用都是各大厂商及用户讨论的热门话题之一，从早期的塑料材质到金属材质，再到航空合金以及皮革材质等等，这些材质的应用在市场中，也都得到了广大用户的认可与普及。近期，手机行业中再次掀起了关于一种新材质的讨论争议——蓝宝石玻璃。对于这种陌生的新型材料，它的特色在哪，对于厂商及用户来说，又能够带来什么？接下来就让我们一起来了解下关于蓝宝石技术及其产品的详细信息。 关于蓝宝石 我们先来简单了解下真正的蓝宝石，也就是那些陈列在珠宝店及镶嵌在古代皇室王冠上的那种珍贵石头。根据宝石方面的资料显示，蓝宝石的矿物名称为刚玉，属刚玉族矿物。其主要成分为氧化铝，因含微量元素钛(Ti4+)或铁(Fe2+)而呈蓝色。属三方晶系。晶体形态常呈筒状、短柱状、板状等，几何体多为粒状或致密块状。
而实际上自然界中的宝石级刚玉除红色的称红宝石外，其余各种颜色如蓝色、淡蓝色、绿色、黄色、灰色、无色等，均称为蓝宝石。而蓝宝石的产地在泰国、斯里兰卡、马达加斯加、老挝、柬埔寨、中国山东昌乐，海南，重庆江津的石笋山均有发现，其中最稀有的产地应属于克什米尔地区的蓝宝石，而缅甸是现今出产上等蓝宝石最多的地方。
在宝石类中，钻石的硬度为10，也是自然界最硬的物质。蓝宝石、红宝石以及祖母绿的硬度为9，其硬度也相对较高。而刀子金属类的硬度只有5到 6。因此，在市场中，不少消费者在鉴定宝石产品时，通常都会使用刀子类工具通过拉划进行测试。这也是最直接与最直观的测试方式之一。 蓝宝石玻璃 由于蓝宝石的硬度仅次于钻石，科技厂商通过对其元素提纯，应用在一些透明玻璃面板上，可以实现比传统化学增强玻璃更好的硬度表现。根据以上我们所了解到，蓝宝石的硬度值为9，而玻璃的硬度
大规格蓝宝石单晶体生长炉技术说明 一、项目市场背景 α-Al2O3单晶又称蓝宝石，俗称刚玉，是一种简单配位型氧化物晶体。蓝宝石晶体具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，强度高、硬度大、耐冲刷，可在接近2000℃高温的恶劣条件下工作，因而被广泛的应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料。其独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热学性能使蓝宝石晶体成为实际应用的半导体GaN/Al2O3发光二极管(LED)，大规模集成电路SOI和SOS及超导纳米结构薄膜等最为理想的衬底材料。低成本、高质量地生长大尺寸蓝宝石单晶已成为当前面临的迫切任务。 蓝宝石晶体生长方式可划分为溶液生长、熔体生长、气相生长三种，其中熔体生长方式因具有生长速率快，纯度高和晶体完整性好等特点，而成为是制备大尺寸和特定形状晶体的最常用的晶体生长方式。目前可用来以熔体生长方式人工生长蓝宝石晶体的方法主要有熔焰法、提拉法、区熔法、坩埚移动法、热交换法、温度梯度法和泡生法等。但是，上述方法都存在各自的缺点和局限性，较难满足未来蓝宝石晶体的大尺寸、高质量、低成本发展需求。例如，熔焰法、提拉法、区熔法等方法生长的晶体质量和尺寸都受到限制，难以满足光学器件的高性能要
求；热交换法、温度梯度法和泡生法等方法生长的蓝宝石晶体尺寸大，质量较好，但热交换法需要大量氦气作冷却剂，温度梯度法、泡生法生长的蓝宝石晶体坯料需要进行高温退火处理，坯料的后续处理工艺比较复杂、成本高。 二、微提拉旋转泡生法制备蓝宝石晶体工艺技术说明 微提拉旋转泡生法制备蓝宝石晶体方法在对泡生法和提拉法改进的基础上发展而来的用于生长大尺寸蓝宝石晶体的方法，主要在乌克兰顿涅茨公司生产的 Ikal-220型晶体生长炉的基础上改进和开发。晶体生长系统主要包括控制系统、真空系统、加热体、冷却系统和热防护系统等。微提拉旋转泡生法大尺寸蓝宝石晶体生长技术主要是通过调控系统内的热量输运来控制整个晶体的生长过程，因此加热体与热防护系统的设计，热交换器工作流体的选择、散热能力的设计，晶体生长速率、冷却速率的控制等工艺问题对能否生长出品质优良的蓝宝石晶体都至关重要。 微提拉旋转泡生法制备蓝宝石晶体，生长设备集水、电、气于一体，主要由能量供应与控制系统、传动系统、晶体生长室、真空系统、水冷系统及其它附属设备等组成。传动系统作为籽晶杆(热交换器)提拉和旋转运动的导向和传动机构，与立柱相连位于炉筒之上，其主要由籽晶杆(热交换器)的升降、旋转装置组成。提拉传动装置由籽晶杆(热交换器)的快速及慢速升降系统两部分组成。籽晶杆(热交换器)的慢速升降系统由稀土永磁直流力矩电机，通过谐波减速器与精密滚珠丝杠相连，经滚动直线导轨导向，托动滑块实现籽晶杆(热交换器)在拉晶过程中的慢速升降运动。籽晶杆(热交换器)的快速升降系统由快速伺服电机经由谐波减速器上的蜗杆、蜗杆副与谐波的联动实现。籽晶杆的旋转运动由稀土永磁式伺服电机通过楔形带传动实现。该传动系统具有定位精度高、承载能力大，速度稳定、可靠，无振动、无爬行等特点。采用精密加热，其具有操作方法简单，容易控制的特点。在热防护系统方面，该设计保温罩具有调节气氛，防辐射性能好，保温隔热层热导率小，材料热稳定性好，长期工作不掉渣，不起皮，具有对晶体生长环境污染小，便于清洁等优点。选用金属钼坩埚，并依据设计的晶体生长尺寸、质量来设计坩埚的内径、净深、壁厚等几何尺寸，每炉最大可制备D200mmX200mm，重量25Kg蓝宝石单晶体。Al2O3原料晶体生长原料采用纯度为5N的高纯氧化铝粉或熔焰法制备的蓝宝石碎晶。 从熔体中结晶合成宝石的基本过程是：粉末原料→加热→熔化→冷却→超过临界过冷度→结晶。 ９９．９９％以上纯度氧化铝粉末加有机黏结剂，在压力机上形成坯体；先将该坯体预先烧成半熟状态的氧化铝块，置入炉内预烧，将炉抽真空排出杂质气体，先后启动机械泵、扩散泵，抽真空至１０↑［－３］－１０↑［－４］Ｐａ，当炉温达１５００－１８００℃充入混合保护气体，继续升温至设定温度（２１００－２２５０℃）；（３）炉温达设定温度后，保温４－８小时，调节炉膛温度
1挑选直径大约为0.1–1.0mm的单晶。 CCD的准直管直径有0.3mm，0.5mm，0.8mm；分别对应得晶体大小是0-0.3mm, 0.3-0.5mm, 0.5-0.8mm. 2 选择用铜靶还是钼靶 铜靶要求θmax〉=66度，最大分辨率是0.77埃 钼靶要求θmax〉=25度，最大分辨率是0.36埃 3 用smart程序收集衍射数据 得到大约一千张倒易空间的衍射图像，300M大小。其中matrix图像45张，分成三组，每组15张，用以判定晶体能否解析。 4 用saint程序还原衍射数据 得到很多文件，但是只有三个文件是我们需要的：-ls，p4p，raw。 -ls文件中包含有最大的和最小的θ角，有效地精修衍射点数目。 好像不同的机器或者还原程序得到的文件不同，有的是hkl，abs。 5 用shelxtl程序处理上述数据，并画出需要的图形。 5.1 装好shelxtl程序，新建一个project，输入要建立工程的名字，然后打开要解析的p4p 或者raw文件 5.2 用xprep程序确立空间群，建立指令文件 这个过程基本上是一直按回车键的过程（除了在要输入化学成分的时候改动一下和在是否建立指令文件的时候输入Y即可），一般不会出错。如果出错，那就要重新对空间群进行指认（出错可能是出现在下面的精修过程中）。 一般Mean（I/sigma）〉2才可以，越大越好。 得到ins，hkl，pcf三个重要数据文件。 其中ins文件：包含分子式，空间群等信息； hkl文件：包含的是衍射点的强度数据； pcf文件：记录了晶体物理特征，分子式，空间群，衍射数据收集的条件以及使用的相
关软件等信息。 5.3 选择要解析的方法：直接法（TREF）还是帕特深法（PA TT）？ 如果晶体中含有重原子如金属原子，那就要用PATT法；如果晶体中没有原子量差异特别大的原子，就用TREF法。默认的方法是直接法。 5.4 用xs程序解析粗结构 得到res文件：包含了ins文件的内容和所有的Q峰信息。 5.5 用xp程序与xl程序完成原子的指认，付利叶加氢或理论加氢，画图等。 达到比较好的结果标准： A 化学上合理（键长、键角、价态） B R1 <0.08（0.06），wR2 <0.18（0.16），goof=S=1+-0.2(1.00) % C R(int)<0.1,R(singma)<0.1 D Maximum=0.000 5.5.1 原子的指认 打开xp 输入fmol = 出现一系列的Q峰信息。每次打开xp后都要先输入此命令。 输入pick 进入Q峰之间连接的结构体系中。 根据化学经验（键长，键角以及连接方式）和自己晶体的预测的结构，对Q 峰进行取舍。 取舍完毕后，进行原子的命名。当闪点在某个原子上时，从键盘上输入要命名的原子的符号，然后回车；闪点就会跳到下一个要命名的Q峰上。当闪点在某个Q峰上时，如果直接回车，会删掉此原子，用backspace可以复原；如果直接敲空格键，闪点会跳到下一个Q峰上。 敲“/”键，保存命名结果，退出；敲“esc”键，不保存结果，退出。 输入pers
蓝宝石衬底制作工艺流程简要说明 长晶: 利用长晶炉生长尺寸大且高品质的单晶蓝宝石晶体 定向: 确保蓝宝石晶体在掏棒机台上的正确位置,便于掏棒加工 掏棒: 以特定方式从蓝宝石晶体中掏取出蓝宝石晶棒 滚磨: 用外圆磨床进行晶棒的外圆磨削,得到精确的外圆尺寸精度 品检: 确保晶棒品质以及以及掏取后的晶棒尺寸与方位是否合客户规格 定向:在切片机上准确定位蓝宝石晶棒的位置,以便于精准切片加工 切片:将蓝宝石晶棒切成薄薄的芯片 研磨:去除切片时造成的芯片切割损伤层及改善芯片的平坦度 倒角:将芯片边缘修整成圆弧状,改善薄片边缘的机械强度,避免应力集中造成缺陷 抛光:改善芯片粗糙度,使其表面达到外延片磊晶级的精度 清洗:清除芯片表面的污染物(如:微尘颗粒,金属,有机玷污物等) 品检:以高精密检测仪器检验芯片品质(平坦度,表面微尘颗粒等),以合乎客户要求 柱状与孔状图形衬底对MOVPE生长GaN体材料及LED器件的影响 江洋罗毅汪莱李洪涛席光义赵维韩彦军 【摘要】：在柱状图形蓝宝石衬底(PSS-p)和孔状图形蓝宝石衬底(PSS-h)上外延了GaN体材料和LED结构并进行了详细对比和分析.X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)测试结果表明,PSS-h上体材料的晶体质量和表面形貌都优于PSS-p上体材料的特性,通过断面扫面电子显微镜(SEM)照片看出PSS-h上GaN的侧向生长是导致这种差异的原因.另外,基于PSS-p和PSS-h上外延的LED材料制作而成的器件结果表明,其20mA下光功率水平相比普通蓝宝石衬底(CSS)分别提高了46%和33%.通过变温光荧光谱(PL)分析发现,样品的内量子效率十分接近.因此,可以推断PSS-h上侧向外延中存留的空气隙则会影响光提取效率的提高. 【作者单位】：清华大学电子工程系集成光电子学国家重点实验室; 【关键词】：蓝宝石图形衬底氮化镓发光二极管侧向生长光提取效率内量子效率原子力显微镜体材料蓝宝石衬底晶体质量 【基金】：国家自然科学基金(批准号:60536020,60723002)国家重点基础研究发展计划“973”(批准号:2006CB302801,2006CB302804,2006CB302806,2006CB921106)国家高技术研究发展计划“863”(批准号:2006AA03A105)北京市科委重大计划(批准号:D0404003040321)资助的课题~~ 1·引言利用GaN基大功率LED作为一种新型高效的固体光源,具有能耗小、高功率、寿命长、体积小、环保等显著优点,将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的第三代照明工具,被公认为21世纪最具发展前景的高技术领域之一[1,2].目前使用最广泛的外延GaN材料的衬底是成本较低的蓝