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漫谈蓝宝石晶体检测,老标准过时了_拜恩检测-专业第三方检测机构

发表时间:2021-06-24   来源:

蓝宝石晶体不同于大家印象里的天然蓝宝石奢侈品,它的实际用途是被广泛应用在微电子和光电子等半导体照明领域的基础材料。大家都知道硬度是所有宝石的显著特性,而蓝宝石可以称谓是最硬的氧化物晶体。蓝宝石的物理特性不只仅局限于硬度,而且在高温下还能保持其高强度、优良的热属性和透过率等特性,并且能够满足良好的电气性能、介电性能、防化学腐蚀等要求。耐磨、耐风蚀加上优良的光学性能、力学性能、热学性能、化学性能及电学性能等等,就决定了蓝宝石军事及民用领域中的重要地位和作用。

蓝宝石触屏

 

中国智能手机行业的高速发展,全世界有目共睹。蓝宝石的莫氏硬度可达到9级,而且在0.15μm~7.5μm波段的透过率可达到85%以上,所以在透红外光、介电性能和抗划伤等方面的突出优势,让蓝宝石不仅可以使触摸屏的敏感度和反应速度更高,而且硬度大到可以抵挡刀划等各种磨损,所以蓝宝石在民用领域就被广泛用在智能手机摄像头的保护盖板、指纹识别、HOME键盖板、智能手表屏幕盖板以及未来车载屏幕盖板等地方。在军用领域,蓝宝石晶体还被用来制成军用红外装置、导弹、潜艇、卫星空间技术、探测和高功率强激光等尖端科技,此外它还为微电子、光电子,半导体、光通信、信息显示、精密机械、国防军事及国内外重大科学工程等众多热点领域技术发展,尤其是蓝(白)光LED照明产业提供了窗口材料。

 

蓝宝石晶体

之所以平铺直叙了蓝宝石晶体的这么多优点和用途,那是因为蓝宝石晶体对于我国的微电子和光电子产业真的很重要。近些年来,蓝宝石单晶的品质、长晶工艺技术、生产规模以及晶体的尺寸等较10多年前有了极大的提升。原有的检测标准GB/T31092-2014《蓝宝石单晶晶锭》所规定的技术要求已远远满足不了蓝宝石实际的市场需求,比如最明显的一点就是目前市场上蓝宝石晶体不再不以整锭进行交货,而是大多采用单晶晶棒或块材等形式的形式进行交付。此外,蓝宝石晶体的重量从几十公斤增加到400公斤以上,成品可加工φ500mm以上的蓝宝石晶片,其生长及加工工艺日趋成熟。而且100mm(4英寸)、150mm(6英寸)蓝宝石衬底片均已经规模化加工和应用。蓝宝石晶体的品质逐渐提升,就让国内外客户对晶体的纯度、位错密度、透过率等检测指标提出了更高的要求。

我们以GB/T31092-2014中规定的“结晶质量”指标为例。很多蓝宝石晶体产品会因为工艺控制不严格、温度波动等因素,在蓝宝石晶体中出现大量的缺陷。对此,国家也专门制定了GB/T35316-2017《蓝宝石晶体缺陷图谱》标准进行指导。当然,实际晶体在结晶时,若受到杂质、温度变化或震动产生的应力作用,或者由于晶体受到打击、切削、研磨等机械应力作用,使晶体内部质点排列变形,原子行列相互滑移而不再符合理想晶体的有序排列,形成线状缺陷,即位错。大量的位错会影响蓝宝石晶体的光学、电学、力学性能,在LED衬底应用方面,位错的存在会降低衬底外延层的质量,由此降低LED照明的发光效率。

位错排缺陷

根据GB/T31092-2014中规定的“结晶质量”指标中对位错密度要求应小于104个/cm2,双晶摇摆曲线的半峰宽值(FWHM)应小于30arcsec。但是鉴于目前市场发展需求及蓝宝石晶体的制造水平,实际上晶棒的位错密度检测要求应小于 1000 个/cm2较为合理。此外,X 射线双晶摇摆曲线的半峰宽(FWHM)值也是表征晶体材料结构完美性的重要参数。也是参考现在的技术条件及要求,晶棒的双晶摇摆曲线的半峰宽值(FWHM)检测要求应小于 20arcsec。 检测方法可以参考GB/T 33763-2017《蓝宝石单晶位错密度测量方法》 、 GB/T 34612-2017《蓝宝石晶体X射线双晶衍射摇摆曲线测量方法》中的规定。

位错密度

对于蓝宝石晶体检测来说, GB/T31092-2014远远不能满足现有的技术要求。比如很多蓝宝石窗口及光学透镜的应用,让蓝宝石也被应用在紫外、可见和中红外波段的军用光学传感器上,这就对事关光学性能的“透过率”指标提出更高要求,而透过率检测结果受到材料内部结构和外部表面光散射的共同影响,所以增加紫外波段的透过率要求就成为其质量要求的重要一点。拜恩工程师在此也推荐蓝宝石晶体在200nm~800nm波长范围,透过率可要求应不低于80%,并且不应该有吸收峰。

透光率

有关蓝宝石晶体的检测指标还有很多,比如总杂质含量、表面取向及参考面取向、尺寸及允许偏差、缺陷、外观等。此外,蓝宝石晶体材料的热学性能和机械性能也可以关注一下,比如硬度、熔点、沸点、断裂韧性、断裂强度、杨氏模量、热膨胀系数、比热、热熔、泊松比、抗热冲击品质因子、电阻率等等。据小编所知,最新的《 蓝宝石单晶晶棒》标准,国家已经着手进行修订了,相信在不久的将来就会发布实施。当然,蓝宝石晶体产品还有GB/T30858-2014《 蓝宝石单晶衬底抛光片》,该标准也是与GB/T31092-2014同期发行的标准,其中的技术要求也有些部分过时了。

 

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