Al2O3
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氧化铝陶瓷基复合材料概述页数:4
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氧化铝基陶瓷材料断裂韧性的测量与评价页数:6
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氧化铝生产的基本方法页数:70
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氧化铝陶瓷基片材料性能页数:2
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氧化铝基陶瓷型芯材料制备及性能研究页数:2
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氧化铝基片的特性页数:7
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氧化铝名词解释
氧化铝，又称三氧化二铝1，分子量102，通常称为“铝氧”，是一种白色无定形粉状物，俗称矾土，属原子晶体,成键为共价键,熔点为2050℃，沸点为3000℃，真密度为3.6g/c m。
它的流动性好，不溶于水，能溶解在熔融的冰晶石中。
它是铝电解生产的中的主要原料。
有四种同素异构体β－氧化铝δ－氧化铝v－氧化铝 a－氧化铝，主要有α型和γ型两种变体，工业上可从铝土矿中提取。
名称氧化铝;刚玉;白玉;红宝石;蓝宝石;刚玉粉;cor undum化学式 Al？O？外观白色晶状粉末或固体物理属性式量101.96 amu熔点 2303 K 沸点3250K密度 3.97 kg/m..晶体结构三方晶系 (h ex) 热化学属性ΔfH0liqui d ？1620.57 kJ/m olΔfH0solid？1675.69kJ/mo lS0liq uid,1 bar 67.24 J/m ol？KS0solid 50.9 J/mo l？K 安全性食入低危险吸入可能造成刺激或肺部伤害皮肤低危险眼睛低危险在没有特别注明的情况下，使用SI单位和标准气温和气压。
氧化铝是铝和氧的化合物，分子式为A l2O3。
在矿业、制陶业和材料科学上又被称为矾土。
应急处理隔离泄漏污染区，限制出入。
建议应急处理人员戴防尘面具（全面罩），穿防毒服。
避免扬尘，小心扫起，置于袋中转移至安全场所。
若大量泄漏，用塑料布、帆布覆盖。
收集回收或运至废物处理场所处置。
制备强热氢氧化铝，可得无定形之白色氧化铝粉末。
2Al(O H) 3→ Al2 O 3 +3H2 O 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。
氧化铝MSDS
编号：氧化铝化学品安全技术说明书第一部分：化学品名称化学品中文名称：氧化铝化学品英文名称：aluminum oxide分子式：Al2O3第二部分：成分/组成信息有害物成分含量CAS No.1344-28-1第三部分：危险性概述健康危害：对机体一般不易引起毒害，对粘膜和上呼吸道有刺激作用。
经呼吸道吸入其粉尘可引起肺部轻度纤维化，肺部和肺淋巴结有大量的铝环境危害：燃爆危险：未有特殊的燃烧爆炸特性。
第四部分：急救措施皮肤接触：脱去污染的衣着，用流动清水冲洗。
眼睛接触：提起眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗。
就医。
吸入：脱离现场至空气新鲜处。
食入：饮足量温水，催吐。
就医。
第五部分：消防措施危险特性：未有特殊的燃烧爆炸特性。
有害燃烧产物：自然分解产物未知。
灭火方法：消防人员必须穿全身防火防毒服，在上风向灭火。
灭火时尽可能将容器从火场移至空旷处。
第六部分：泄漏应急处理应急处理：隔离泄漏污染区，限制出入。
建议应急处理人员戴防尘面具（全面罩），穿防毒服。
避免扬尘，小心扫起，置于袋中转移至安全场所。
若大量泄漏，用塑料布、帆布覆盖。
收集回收或运至废物处理场第七部分：操作处置与储存操作注意事项：密闭操作，局部排风。
操作人员必须经过专门培训，严格遵守操作规程。
建议操作人员佩戴自吸过滤式防尘口罩，戴化学安全防护眼镜，穿防毒物渗透工作服，戴橡胶手套。
避免产生粉尘。
避免与氧化剂接触。
搬运时轻装轻卸，防止包装破损。
配备泄漏应急处理设备。
倒空的容器可能残留有害物。
储存注意事项：储存于阴凉、干燥、通风良好的库房。
远离火种、热源。
保持容器密封。
应与氧化剂分开存放，切忌混储。
储区应备有合适的材料收第八部分：接触控制/个体中国MAC(mg/m3)：6工程控制：密闭操作，局部排风。
呼吸系统防护：空气中粉尘浓度超标时，必须佩戴自吸过滤式防尘口罩。
紧急事态抢救或撤离时，应该佩戴空气呼吸器。
眼睛防护：戴化学安全防护眼镜。
身体防护：穿防毒物渗透工作服。
氧化铝陶瓷
氧化铝陶瓷摘要：本文介绍了氧化铝陶瓷的结构、制备、性能及用途。
关键字：氧化铝陶瓷、Al2O3正文：一、氧化物陶瓷简介按照传统的分类方法，陶瓷可分为普通陶瓷和特种陶瓷（精细陶瓷），这两类陶瓷间没有严格的界限，有的陶瓷品种可以一种多用。
工业Al2O3，是由铝矾土(Al2O·3H20)和硬水铝石制备的，对于纯度要求高的Al2O3，一般用化学方法来制备。
电熔刚玉即是用上述原料加碳在电弧炉内于2000—2400℃熔融而制得，也称人造刚玉。
Al2O3有许多同质异晶体，目前已知的有10多种，主要有3种晶型，即Al2O3 、Al2O3 、Al2O3 。
其结构不同性质也不同，在1300℃以上的高温时几乎完全转化为Al2O3。
Al2O3属尖晶石型(立方)结构，氧原子呈立方密堆积，铝原子填充在间隙中，在高温下不稳定，力学性能、电学性能差，在自然界中不存在。
由于结构疏松，因此，也可用它来制造某些特殊用途的多孔材料。
Al2O3是一种Al2O3含量很高的多铝酸盐矿物。
它的化学组成可以近似地用RO·6 Al2O3和R2O·11 Al2O3来表示(RO指碱上金属氧化物，R2O指碱金属氧化物)，其结构由碱金属或碱土金属离子如[NaO]-层和[Al11O12]+类型尖晶石单元交叠堆积而成。
氧离子排列成立方密堆积，Na+完全包含在垂直于c轴的松散堆积平面内，在这个平面内可以很快扩散，呈现离子型导电现象。
Al2O3属三方晶系，单位晶胞是一个尖的菱面体，在自然界只存在Al2O3，如天然刚玉、红宝石、蓝宝石等矿物。
Al2O3结构最紧密、活性低、高温稳定。
它是三种形态中最稳定的晶型，电学性能最好，具有良好的机械和电学性能，一般氧化铝陶瓷都由Al2O3来制取。
二、氧化铝陶瓷的制造工艺氧化铝陶瓷是一种以Al2O3为主晶相的陶瓷材料，其氧化铝含量一般在75％～99％之间。
习惯上以配料中氧化铝的含量进行分类，氧化铝含量在75％左右的为"75瓷”，含量在99％的为“99瓷”等。
AL2O3
成分分析(% Al2O3) 成分分析 *包装时 包装时
Distributor Training SpectrAlTM Fumed Alumina Cabot Confidential 7
SpectrAlTM Fumed Alumina-影响因素
Lower Surface Area (55 m2/g) Shorter Easier Decreases
Performance Incorporation Time Dispersibility
Higher Surface Area(95 m2/g) Longer Harder
Decreases Decreases Decreases Decreases Increases Increases
Increases Rheology Control/Thixotropy/Thickenin g Reinforcement Increases Transparency Free Flow Absorption Abrasiveness Thermal Conductivity Increases Increases Increases Decreases Decreases
Distributor Training SpectrAlTM Fumed Alumina Cabot Confidential 1 5
气相氧化铝在木器漆中的应用
Distributor Training SpectrAlTM Fumed Alumina Cabot Confidential 1 6
500 2000
.0013 .0128
grams
Revolutions Weight Loss (grams) 500 .0037
氧化铝生产工艺流程
石灰配入量
拜耳法配料加入的石灰量是以铝矿石 中含氧化钛（Ti02）量计算的，按其反 应式要求氧化钙和氧化钛的克分子比为 2.0。
原矿浆液固比调整
在磨矿中，球磨机的下料量要求稳定。因此，原矿浆 液比固的调节是调节循环母液的加入量来实现的。在 拜耳法磨矿中，循环母液由三个点加入，而磨机内和 分级机溢流的液固比在磨矿的操作中要求稳定。因此， 调节原矿浆的液固比，实际上是靠增减加人混合槽的 循环母液量来实现。 稳定循环母液的浓度和严格铝土矿的配矿制度， 是确保拜耳法正确配碱的有效措施。同时应尽量减少 非生产用水进入流程及提高石灰质量等，也是拜耳法 正确配料，达到良好溶出指标的重要保证。
氧化铝生产方法
碱法 酸法 酸碱联合法 热法
碱法生产氧化铝
碱法生产氧化铝，就是用碱(NaOH或Na2CO3) 处理铝土矿，使矿石中的氧化铝水合物和碱 反应生成铝酸钠溶液。铝土矿中的铁、钛等 杂质和绝大部分的二氧化硅则成为不溶性的 化合物进入固体残渣中。这种残渣被称为赤 泥。铝酸钠溶液与赤泥分离后，经净化处理， 分解析出A1(OH)3，将A1(OH)3与碱液分离并 经过洗涤和焙烧后，即获得产品氧化铝。 目前工业上几乎全部采用碱法生产氧化铝。
铝酸钠溶液诱导期
铝酸钠溶液的诱导期即过饱和铝酸钠溶液自发 分解析出氢氧化铝的时间长短。诱导期即是 在开头一段时间内溶液不发生明显的分解， 在此期间溶液主要是发生内部变化—离子聚 合或晶核开始形成。 诱导期的长短取决于溶液的组成（浓度、αK杂 质和温度）等因素。αK和浓度高以及有机物 等存在时，诱导期长。添加晶种时也有诱导 期，但诱导期的延续时间比不添加种子时短 得多。以至在晶种量较多时延续时间只有几 分钟甚至完全消失。
氧化铝陶瓷概述
黑色Al2O3瓷的着色剂通常都是一些 高温挥发性较强的氧化物。
11
一、瓷料高温下的挥发 ❖ Al2O3瓷烧成温度较高，99瓷烧成
温度1800℃，95瓷也都在1650℃～ 1700℃，因此配料组分挥发性的高 低直接关系到陶瓷材料的生产和利 用。
12
(1)主成分Al2O3高温下挥发性较弱。 (2) 在 99 瓷 中 用 作 抑 制 晶 粒 生 长 ，
17
❖ 在电场作用下，Na离子在“尖晶石 基块’’之间的(空旷地带)沿电场方向 自由移动，表现了－Al2O3极显著的离 子电导特性。正因为如此，－Al2O3呈 现出明显的电导损耗和离子松弛损耗。 这样，Al2O3瓷中－Al2O3的存在就导致 了介质损耗角正切值tg的显著提高。
18
❖改善措施：
（1）加入粘土（主要成分SiO2）， 生成玻璃相让Na2O进入玻璃相。
15
通常是用碱式法生产
的，其中含有少量Na2O杂质。 Na2O 杂 质 的 存 在 ， 与 Al2O3 形 成
－Al2O3化合物，使瓷体的电性能明 显恶化，电阻率降低，tg↑，Na2O 对装置瓷非常有害。
16
❖ Na2O加入以后，生成－Al2O3， － Al2O3是一种多铝酸盐，其结构为 Na2O·11Al2O3，是由少数Al—O—Al键把 “尖晶石基块”连接起来的层状结构， －Al2O3中的Na离子就处于“尖晶石基 块”之间由少数 A1—O—A1键支撑起 来的空旷的空间内。
2
氧化铝陶瓷基片
电子陶瓷
3
2.1 Al2O3瓷的类型和性能 根据Al2O3含量来确定瓷的牌号。
Al2O3含量在99％左右——“99瓷”， 含量在95％和90％左右的依次称为 “95瓷”和“90瓷”等等。
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一、瓷料高温下的挥发 ❖ Al2O3瓷烧成温度较高，99瓷烧成
温度1800℃，95瓷也都在1650℃～ 1700℃，因此配料组分挥发性的高 低直接关系到陶瓷材料的生产和利 用。
12
(1)主成分Al2O3高温下挥发性较弱。 (2) 在 99 瓷 中 用 作 抑 制 晶 粒 生 长 ，
17
❖ 在电场作用下，Na离子在“尖晶石 基块’’之间的(空旷地带)沿电场方向 自由移动，表现了－Al2O3极显著的离 子电导特性。正因为如此，－Al2O3呈 现出明显的电导损耗和离子松弛损耗。 这样，Al2O3瓷中－Al2O3的存在就导致 了介质损耗角正切值tg的显著提高。
18
❖改善措施：
（1）加入粘土（主要成分SiO2）， 生成玻璃相让Na2O进入玻璃相。
15
通常是用碱式法生产
的，其中含有少量Na2O杂质。 Na2O 杂 质 的 存 在 ， 与 Al2O3 形 成
－Al2O3化合物，使瓷体的电性能明 显恶化，电阻率降低，tg↑，Na2O 对装置瓷非常有害。
16
❖ Na2O加入以后，生成－Al2O3， － Al2O3是一种多铝酸盐，其结构为 Na2O·11Al2O3，是由少数Al—O—Al键把 “尖晶石基块”连接起来的层状结构， －Al2O3中的Na离子就处于“尖晶石基 块”之间由少数 A1—O—A1键支撑起 来的空旷的空间内。
2
氧化铝陶瓷基片
电子陶瓷
3
2.1 Al2O3瓷的类型和性能 根据Al2O3含量来确定瓷的牌号。
Al2O3含量在99％左右——“99瓷”， 含量在95％和90％左右的依次称为 “95瓷”和“90瓷”等等。
氧化铝晶型
γ-Al2O3、η-Al2O3、κ-Al2O3、χ-Al2O3、θ-Al2O3、α-Al2O3
、ρ-Al2O3和无定形相，共8种晶相。
ρ-Al2O3是结晶度最差，常温有胶结性能，500度后转变为γ-Al2O3，1000度后全变为α-Al2O3。
α-Al2O3在常温与高温都是稳定相。
即平时的刚玉材料的主晶相。
α-Al2O3也叫煅烧氧化铝,具有熔点高、硬度大、绝缘性能强、耐磨性好、化学性质稳定等特点。
广泛用于耐火材料、绝缘器材、集成电路基板、磨料磨具、陶瓷材料等许多领域。
α型氧化铝不溶于水和酸，工业上也称铝氧，是制金属铝的基本原料；也用于制各种耐火砖、耐火坩埚、耐火管、耐高温实验仪器；还可作研磨剂、阻燃剂、填充料等；。
氧化铝MSDS
编号：氧化铝化学品安全技术说明书第一部分：化学品名称化学品中文名称：氧化铝化学品英文名称：aluminum oxide分子式：Al2O3第二部分：成分/组成信息有害物成分含量CAS No.1344-28-1第三部分：危险性概述健康危害：对机体一般不易引起毒害，对粘膜和上呼吸道有刺激作用。
经呼吸道吸入其粉尘可引起肺部轻度纤维化，肺部和肺淋巴结有大量的铝环境危害：燃爆危险：未有特殊的燃烧爆炸特性。
第四部分：急救措施皮肤接触：脱去污染的衣着，用流动清水冲洗。
眼睛接触：提起眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗。
就医。
吸入：脱离现场至空气新鲜处。
食入：饮足量温水，催吐。
就医。
第五部分：消防措施危险特性：未有特殊的燃烧爆炸特性。
有害燃烧产物：自然分解产物未知。
灭火方法：消防人员必须穿全身防火防毒服，在上风向灭火。
灭火时尽可能将容器从火场移至空旷处。
第六部分：泄漏应急处理应急处理：隔离泄漏污染区，限制出入。
建议应急处理人员戴防尘面具（全面罩），穿防毒服。
避免扬尘，小心扫起，置于袋中转移至安全场所。
若大量泄漏，用塑料布、帆布覆盖。
收集回收或运至废物处理场第七部分：操作处置与储存操作注意事项：密闭操作，局部排风。
操作人员必须经过专门培训，严格遵守操作规程。
建议操作人员佩戴自吸过滤式防尘口罩，戴化学安全防护眼镜，穿防毒物渗透工作服，戴橡胶手套。
避免产生粉尘。
避免与氧化剂接触。
搬运时轻装轻卸，防止包装破损。
配备泄漏应急处理设备。
倒空的容器可能残留有害物。
储存注意事项：储存于阴凉、干燥、通风良好的库房。
远离火种、热源。
保持容器密封。
应与氧化剂分开存放，切忌混储。
储区应备有合适的材料收第八部分：接触控制/个体中国MAC(mg/m3)：6工程控制：密闭操作，局部排风。
呼吸系统防护：空气中粉尘浓度超标时，必须佩戴自吸过滤式防尘口罩。
紧急事态抢救或撤离时，应该佩戴空气呼吸器。
眼睛防护：戴化学安全防护眼镜。
身体防护：穿防毒物渗透工作服。
氧化铝和氢氧化铝
n(Al(OH)3 1 0.8
②
0.6
0.4 0.2 0
①
1
2
3
4
n(NH3
· 2O ) H
铝图练习4
向含1molMgCl2和1mol AlCl3 溶液中,逐渐加入 NaOH溶液,生成沉淀的物质的量与消耗NaOH溶 液的物质的量n(NaOH)关系图: ①Al3++3OH－ =Al(OH)3 ↓ Mg2+ +2OH －=Mg(OH)2 ↓
两性氢氧化物：既可以与酸又可以与碱 反应生成盐和水的氢氧化物。
（2）化学性质：
①与酸反应：Al(OH)3＋3HCl＝AlCl3＋3H2O
Al(OH)3 + 3H+ = Al3+ + 3H2O
②与碱反应： Al(OH)3＋NaOH＝NaAlO2＋2H2O
Al(OH)3 + OH- = AlO2- + 2H2O
氢氧化铝的实验室制法
（1）氯化铝溶液中加入氨水
AlCl3+3NH3.H2O ==Al(OH)3↓+3NH4Cl Al3++3NH3.H2O ==Al(OH)3↓+3NH4+
(2) AlO2- 通入CO2气体
NaAlO2 + CO2 + 2H2O = Al(OH)3↓+ NaHCO3 AlO2- + CO2 + 2H2O = Al(OH)3↓+ HCO3-
Ａ、有沉淀生成
Ｃ、反应后有钠剩余
Ｂ、有气体生成 Ｄ、得到澄清溶液
3、铝分别与足量的稀盐酸和氢氧化钠溶 液反应，当两个反应放出的气体在相同 状况下体积相等时，反应中消耗的HCl 和NaOH的物质的量之比为（C ） A.1:1 B.2:1 C.3:1 D1:3
②
0.6
0.4 0.2 0
①
1
2
3
4
n(NH3
· 2O ) H
铝图练习4
向含1molMgCl2和1mol AlCl3 溶液中,逐渐加入 NaOH溶液,生成沉淀的物质的量与消耗NaOH溶 液的物质的量n(NaOH)关系图: ①Al3++3OH－ =Al(OH)3 ↓ Mg2+ +2OH －=Mg(OH)2 ↓
两性氢氧化物：既可以与酸又可以与碱 反应生成盐和水的氢氧化物。
（2）化学性质：
①与酸反应：Al(OH)3＋3HCl＝AlCl3＋3H2O
Al(OH)3 + 3H+ = Al3+ + 3H2O
②与碱反应： Al(OH)3＋NaOH＝NaAlO2＋2H2O
Al(OH)3 + OH- = AlO2- + 2H2O
氢氧化铝的实验室制法
（1）氯化铝溶液中加入氨水
AlCl3+3NH3.H2O ==Al(OH)3↓+3NH4Cl Al3++3NH3.H2O ==Al(OH)3↓+3NH4+
(2) AlO2- 通入CO2气体
NaAlO2 + CO2 + 2H2O = Al(OH)3↓+ NaHCO3 AlO2- + CO2 + 2H2O = Al(OH)3↓+ HCO3-
Ａ、有沉淀生成
Ｃ、反应后有钠剩余
Ｂ、有气体生成 Ｄ、得到澄清溶液
3、铝分别与足量的稀盐酸和氢氧化钠溶 液反应，当两个反应放出的气体在相同 状况下体积相等时，反应中消耗的HCl 和NaOH的物质的量之比为（C ） A.1:1 B.2:1 C.3:1 D1:3
第四章氧化铝和氧化锆
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
透明氧化铝陶瓷的烧成温度较高,一般在1750 ℃～1850 ℃左右,并且须要在氢气或 真空条件下烧成。由于真空炉一般为间断操作,不能连续生产,所以都采用氢气氛烧成。 氢的原子半径小,扩散速度快,气孔容易从坯体中排除而形成高透明体陶瓷。
残留的塑化剂或者环境坩锅以及加热元件等引入的微量杂质都有可能导致 其透明性降低。因此要严格控制其烧结条件和周围环境的纯净。
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
Mo－Mn 烧结法
W、Mo等难熔金属与氧化铝热膨胀系数接近，相差仅2-3×10-6，具有良 好的热稳定性。其烧结性能也与氧化铝接近，相互适应性良好。
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
氧化铝陶瓷烧结时通过扩散完成材料的致密化过程，由于氧化铝陶瓷具有较强 的离子键，从而导致其质点扩散系数低（Al3+ 在1700℃时扩散系数仅10-11cm/s）、烧 结激活能大，因此在烧结时需要较高的烧结温度。通常，采用2 条途径来降低其烧结温 度. 1、通过改进粉体制备工艺以获得超细颗粒、无团聚、以及分散均匀的具有良好 烧结活性的粉体，来达到促进材料致密化的目的。然而这些方法目前常局限于实验室 范围内，原因是制备工艺复杂，同时制备成本较高。 2、引人适量的烧结助剂，即在材料中添加合适的外加剂，通过与基体生成液相 或固溶体, 加强扩散, 以达到促进材料致密化并降低烧结温度的目的，这种方法在陶瓷 领域的工业生产中被广泛采用。
TZP PSZ FSZ
7.3.2.1 氧化锆晶体结构与相结构
m-ZrO2 (5.65) 1000℃ t-ZrO2(6.10) 2370℃ c-ZrO2(6.27)
NPU
透明氧化铝陶瓷的烧成温度较高,一般在1750 ℃～1850 ℃左右,并且须要在氢气或 真空条件下烧成。由于真空炉一般为间断操作,不能连续生产,所以都采用氢气氛烧成。 氢的原子半径小,扩散速度快,气孔容易从坯体中排除而形成高透明体陶瓷。
残留的塑化剂或者环境坩锅以及加热元件等引入的微量杂质都有可能导致 其透明性降低。因此要严格控制其烧结条件和周围环境的纯净。
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NPU
Mo－Mn 烧结法
W、Mo等难熔金属与氧化铝热膨胀系数接近，相差仅2-3×10-6，具有良 好的热稳定性。其烧结性能也与氧化铝接近，相互适应性良好。
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NPU
氧化铝陶瓷烧结时通过扩散完成材料的致密化过程，由于氧化铝陶瓷具有较强 的离子键，从而导致其质点扩散系数低（Al3+ 在1700℃时扩散系数仅10-11cm/s）、烧 结激活能大，因此在烧结时需要较高的烧结温度。通常，采用2 条途径来降低其烧结温 度. 1、通过改进粉体制备工艺以获得超细颗粒、无团聚、以及分散均匀的具有良好 烧结活性的粉体，来达到促进材料致密化的目的。然而这些方法目前常局限于实验室 范围内，原因是制备工艺复杂，同时制备成本较高。 2、引人适量的烧结助剂，即在材料中添加合适的外加剂，通过与基体生成液相 或固溶体, 加强扩散, 以达到促进材料致密化并降低烧结温度的目的，这种方法在陶瓷 领域的工业生产中被广泛采用。
TZP PSZ FSZ
7.3.2.1 氧化锆晶体结构与相结构
m-ZrO2 (5.65) 1000℃ t-ZrO2(6.10) 2370℃ c-ZrO2(6.27)
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蓝宝石基片制造工艺流程 晶棒
机械加工
基片
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晶片 研磨:去除切片时造成的晶片切割损伤层及改善晶片的平坦度 倒角:将晶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:改善晶片粗糙度,使其表面达到外延片磊晶级的精度 清洗:清除晶片表面的污染物(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晶片品质(平坦度,表面微尘颗粒等),以合乎客户要求
蓝宝石切面图图
晶体结构图上视图
晶体结构侧视图
Al2O3分之结构图
蓝宝石结晶面示意图
最常用来做GaN磊晶的是C面(0001)这个不具极性的面,所以GaN的极性 将由制程决定 (a)图从C轴俯看 (b)图从C轴侧看
蓝宝石(Al2O3)特性表
分子式 密度 晶体结构 晶格常数 莫氏硬度 熔点 沸点 热膨胀系数 比热
2:图案化蓝宝石基板 (Pattern Sapphire Substrate简称PSS)
以蚀刻(在蓝宝石C面干式蚀刻/湿式蚀刻)的方式,在蓝宝石基板上设计制 作出微米级或纳米级的具有微结构特定规则的图案,藉以控制LED之输 出光形式(蓝宝石基板上的凹凸图案会产生光散射或折射的效果增加 光的取出率),同时GaN薄膜成长于图案化蓝宝石基板上会产生横向磊 晶的效果,减少生长在蓝宝石基板上GaN之间的差排缺陷，改善磊晶质 量，并提升LED内部量子效率、增加光萃取效率。与成长于一般蓝宝 石基板的LED相比,亮度增加了70%以上.目前台湾生产图案化蓝宝石有 中美矽晶、合晶、兆晶，兆达.蓝宝石基板中2/4英寸是成熟产品,价 格逐渐稳定,而大尺寸(如6/8英寸)的普通蓝宝石基板与2英寸图案化 蓝宝石基板处于成长期,价格也较高,其生产商也是主推大尺寸与图案 化蓝宝石基板,同时也积极增加产能.目前大陆还没有厂家能生产出图 案化蓝宝石基板.
B:台湾中美矽晶制品制品股份有限公司C面2英寸蓝宝石基板技术参数
项目 Item 规格 Specifications
材料 Material 晶向 Orientation 对M轴偏离角度 Off-set Angle toward M-axis 对A轴偏离角度 Off-set Angle toward A-axis 直径 Dismeter 厚度 Thickness 总厚度偏差 TTV 表面总平整度TIR 弯曲度 翘曲度 WARP BOW
2 蓝宝石晶体的生长方法 蓝宝石晶体的生长方法常用的有两种: 1:柴氏拉晶法(Czochralski method),简称CZ法.先将原料加热至熔点后熔 化形成熔汤，再利用一单晶晶种接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面 上因温度差而形成过冷。于是熔汤开始在晶种表面凝固并生长和晶种相同晶 体结构的单晶。晶种同时以极缓慢的速度往上拉升，并伴随以一定的转速旋 转，随着晶种的向上拉升，熔汤逐渐凝固于晶种的液固界面上，进而形成一 轴对称的单晶晶锭. 2:凯氏长晶法(Kyropoulos method),简称KY法,大陆称之为泡生法.其原理 与柴氏拉晶法(Czochralskimethod)类似，先将原料加热至熔点后熔化形成熔 汤，再以单晶之晶种(SeedCrystal，又称籽晶棒)接触到熔汤表面，在晶种与 熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶，晶种以极缓慢的速 度往上拉升，但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔汤与晶种界面的 凝固速率稳定后，晶种便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制冷却速率方式 来使单晶从上方逐渐往下凝固，最后凝固成一整个单晶晶碇.
定位面方向 Primary Flalat Length
正面 Front Surface 表面粗糙度 Surface Roughness 背面 包装 Backside Package
16±1.2mm
epi-ready polished （外延开盒即用） Ra＜0.3nm Ra=0.5~1.2μ m 洁净室内真空冲氮包装
LED蓝宝石基板介绍 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 键型式结合而成,其晶体结构为六方晶格结构.它常被应用的切面有APlane,C-Plane及R-Plane.由于蓝宝石的光学穿透带很宽,从近紫外光 (190nm)到中红外线都具有很好的透光性.因此被大量用在光学元件、红 外装置、高强度镭射镜片材料及光罩材料上，它具有高声速、耐高温、 抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高（2045℃）等特点，它是一种相当 难加工的材料，因此常被用来作为光电元件的材料。目前超高亮度白/蓝 光LED的品质取决于氮化镓磊晶(GaN)的材料品质，而氮化镓磊晶品质则 与所使用的蓝宝石基板表面加工品质息息相关，蓝宝石(单晶Al2O3 )C面 与Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小，同时符合GaN 磊 晶制程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED的关键 材料. 下图则分别为蓝宝石的切面图;晶体结构图上视图;晶体结构侧视图; Al2O3分之结构图;蓝宝石结晶面示意图
1:C-Plane蓝宝石基板
C-Plane蓝宝石基板是普遍使用的蓝宝石基板.1993年日本的赤崎勇教授 与当时在日亚化学的中村修二博士等人，突破了InGaN 与蓝宝石基板 晶格不匹配（缓冲层）、p 型材料活化等等问题后，终于在1993 年 底日亚化学得以首先开发出蓝光LED.以后的几年里日亚化学以蓝宝石 为基板,使用InGaN材料,通过MOCVD 技术并不断加以改进蓝宝石基板 与磊晶技术,提高蓝光的发光效率,同时1997年开发出紫外LED，1999 年蓝紫色LED样品开始出货，2001年开始提供白光LED。从而奠定了日 亚化学在LED领域的先头地位. 台湾紧紧跟随日本的LED技术,台湾LED的发展先是从日本购买外延片加工, 进而买来MOCVD机台和蓝宝石基板来进行磊晶,之后台湾本土厂商又对 蓝宝石晶体的生长和加工技术进行研究生产,通过自主研发,取得LED 专利授权等方式从而实现蓝宝石晶体,基板,外延片的生产,外延片的 加工等等自主的生产技术能力,一步一步奠定了台湾在LED上游业务中 的重要地位. 目前大部分的蓝光/绿光/白光LED产品都是以日本台湾为代表的使用蓝宝 石基板进行MOCVD磊晶生产的产品.使得蓝宝石基板有很大的普遍性, 以美国Cree公司使用SiC为基板为代表的LED产品则跟随其后.
Al2O3 3.95-4.1克/立方厘米 六方晶格 a=4.785Å , c=12.991Å 9 2045℃ 3000℃ 5.8×10 -6 /K 0.418W.s/g/k (仅次于钻石:10)
热导率
折射率 dn/dt 透光特性 介电常数
25.12W/m/k (@ 100℃)
no =1.768 ne =1.760 13x10 -6 /K(@633nm) T≈80% (0.3～5μ m) 11.5(∥c), 9.3(⊥c)
A:台湾兆晶科技股份有限公司C面2英寸蓝宝石基板技术参数
项目 Item 规格 Specifications
材料 Material 晶向 Orientation 直径 Dismeter 厚度 Thickness 总厚度偏差 TTV 翘曲度 BOW
高纯度（> 99。996%） 单晶Al2O3， C轴（0001）±0.3° 50.8±0.2mm 330μ m/430μ m±25μ m ＜10μ m ＜10μ m A面（11-20）±0.5 °
图10:半极性和无极性面的简单示意图
无极性面是指极性面法线方向上的面，而半极性面则是介于 极性面和无极性面之间的面
5 蓝宝石基板的主要技术参数 外延片厂家因为技术及工艺的不同,对蓝宝石基板的要求也 不同,比如厚度,晶向等. 下面列出几个厂家生产的蓝宝石基板的一些基础技术参数 (以成熟的C面2英寸蓝宝石基板为例子).更多的则是外延 片厂家根据自身的技术特点以及所生产的外延片质量要求 来向蓝宝石基板厂家定制合乎自身使用要求的蓝宝石基板. 即客户定制化. 分别为:A:台湾桃园兆晶科技股份有限公司 B:台湾新竹中美矽晶制品制品股份有限公司 C:美国 Crystal systems 公司 D:俄罗斯 Cradley Crystals公司
图9:纳米图案化蓝宝石基板图
3:R-Plane或M-Plane蓝宝石基板
通常，C面蓝宝石衬底上生长的ＧａＮ薄膜是沿着其极性轴即ｃ轴方向生长的， 薄膜具有自发极化和压电极化效应，导致薄膜内部(有源层量子阱)产生强 大的内建电场，(Quantum Confine Stark Effect, QCSE;史坦克效应)大 大地降低了ＧａＮ薄膜的发光效率. 在一些非C面蓝宝石衬底(如R面或M 面) 和其他一些特殊衬底(如铝酸锂;LiAlO2 )上生长的GaN薄膜是非极性和半极 性的,上述由极化场引起的在发光器件中产生的负面效应将得到部分甚至 完全的改善.传统三五族氮化物半导体均成长在c-plane 蓝宝石基板上，若 把这类化合物成长于R-plane 或M-Plane上，可使产生的内建电场平行于 磊晶层，以增加电子电洞对复合的机率。因此，以氮化物磊晶薄膜为主的 LED结构成长R-plane 或M-Plane蓝宝石基板上，相比于传统的C面蓝宝石 磊晶,将可有效解决LED内部量子效率效率低落之问题，并增加元件的发光 强度。最新消息据称非极性LED能使白光的发光效率提高两倍. 由于无极性ＧａＮ具有比传统c轴ＧａＮ更具有潜力来制作高效率元件,而许多 国际大厂与研究单位都加大了对此类磊晶技术的研究与生产.因此对于Rplane 或M-Plane 蓝宝石基板的需求与要求也是相应地增加. 下图为半极性和无极性面的简单示意图
高纯度单晶Al2O3， C面（0001）±0.3° 0.20 ± 0.05° 0.0 ± 0.1° 50.8±0.15mm 430μ m±15μ m ＜10μ m ≦ 10μ m ≦ 15μ m -10 ~ 0μ m
定位面方向 Primary Flat Location
定位面偏离角度Flat Off-set Angle 定位边长Primary Flat Length 表面粗糙度Frontside Surface Roughness 背面粗糙度 Backside Surface Roughness (Ra) 包装 Package