摘要

本研究系統(tǒng)考察了熱交換法生長的藍(lán)寶石晶體在寬溫域(298～1773 K)內(nèi)的熱學(xué)性能。采用高精度測試設(shè)備，獲得了晶體三個主要晶向的熱膨脹系數(shù)、比熱容、熱擴(kuò)散系數(shù)及熱導(dǎo)率等關(guān)鍵參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在測試溫度范圍內(nèi)，c向(α33)、a向(α11)和r向(αr)的熱膨脹系數(shù)分別從6.010×10-6 K-1、5.310×10-6 K-1、5.400×10-6 K-1增長至9.320×10-6 K-1、8.380×10-6 K-1、8.820×10-6 K-1；比熱容在298～1273 K范圍內(nèi)由0.780 J/(g·K)線性增加至1.225 J/(g·K)；熱導(dǎo)率則呈現(xiàn)明顯的溫度依賴性，從室溫下的31.430～36.520 W/(m·K)降至高溫時的5.550～9.150 W/(m·K)。這些數(shù)據(jù)為藍(lán)寶石晶體的工程應(yīng)用提供了重要的熱物性參考。

關(guān)鍵詞：藍(lán)寶石晶體；熱膨脹；比熱；熱擴(kuò)散系數(shù)；熱導(dǎo)率；各向異性

 

1、引言

藍(lán)寶石晶體(α-Al2O3)作為一種重要的功能材料，因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)（熔點(diǎn)高達(dá)2053℃、莫氏硬度9級、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性等）而被廣泛應(yīng)用于光學(xué)窗口、半導(dǎo)體襯底、激光介質(zhì)等領(lǐng)域。其六方晶系結(jié)構(gòu)決定了其物理性能的各向異性特征，這在熱學(xué)性能方面表現(xiàn)得尤為突出。藍(lán)寶石品體結(jié)構(gòu)屬六方晶系，在常溫下其晶格參數(shù)a=b=0.4759nm,c=1.2992nm,α=β=90°,γ=120°。組成晶體的原子在空間呈周期性重復(fù)排列，在同一晶體的格子中,在不同的方向上質(zhì)點(diǎn)的排列情況一般是不相同的,所以晶體的一些性質(zhì)也隨著方向的不同而有所差異，由此晶體表現(xiàn)出各向異性。藍(lán)寶石晶體的結(jié)構(gòu)為六方晶胞,C面為密排面,a軸平行于C面,c軸方向原子或離子間的距離大于a軸方向，其熱學(xué)性能表現(xiàn)為各向異性，并對晶體生長及應(yīng)用產(chǎn)生影響。

深入理解藍(lán)寶石晶體的熱學(xué)性能各向異性，對于優(yōu)化晶體生長工藝、提高器件性能以及拓展應(yīng)用領(lǐng)域都具有重要意義。

 

2、實(shí)驗(yàn)

本研究選用熱交換法生長的a軸向藍(lán)寶石晶體為研究對象。該生長方法能夠獲得低位錯密度的高質(zhì)量單晶。通過X射線衍射定向儀精確確定晶向，采用金剛石線切割技術(shù)制備了（0001）C面、（1120）A面和（1102）R面三種取向的樣品，尺寸精度控制在±0.02 mm以內(nèi)。
 

2.1 熱膨脹系數(shù)測量

采用德國耐馳公司DIL402C型熱膨脹儀，配備高純度Al2O3參比樣。測試藍(lán)寶石品體c,a和r方向的熱膨脹系數(shù),所用試樣的尺寸為 10.00 mmx10.00 mm x2.00 mm,測試的溫度范圍為 298~1773K,升溫速率5℃/min,控溫精度為0.3 ℃,分辨率:0.125 nm/1.25 nm,實(shí)驗(yàn)誤差小于5%。
 

2.2 比熱測量

使用STA409PC同步熱分析儀，采用三步法進(jìn)行比熱測試。選用藍(lán)寶石標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，測試過程中保持10 K/min的恒定升溫速率，數(shù)據(jù)采集頻率為1 Hz。
 

2.3 熱擴(kuò)散系數(shù)測量

采用激光脈沖法測量藍(lán)寶石單晶的熱擴(kuò)散系數(shù),測量的儀器是德國耐馳公司生產(chǎn)的閃光熱導(dǎo)儀LFA427/4/G,測試溫度范圍為298~1273K。所測試的樣品有C,A和R面三種晶片,其尺寸分別為12.64mm x12.64 mm x1.55 mm,12.64 mm x12.64 mm x1.57 mm 和 12.64 mm x12.64 mm x1.58 mm。測試過程中樣品的四周涂以石墨,激光從加熱面(正面)入射,背面用InSb 檢測器來測定品體溫度的變化,在溫度升高到 800℃以上時,石墨會發(fā)生氧化現(xiàn)象,導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)發(fā)生異常,為防止石墨的氧化,在溫度升高到800℃時每隔100℃通入保護(hù)氣體以防止石墨的氧化。

 

3、結(jié)果與討論

3.1 熱膨脹特性

測試數(shù)據(jù)顯示，在298-573 K溫區(qū)內(nèi)，熱膨脹系數(shù)隨溫度升高顯著增大，a向、c向和r向的增長率分別為38.2%、42.1%和39.3%。這種非線性變化與晶格振動非諧效應(yīng)密切相關(guān)。當(dāng)溫度升至1773 K時，c向熱膨脹系數(shù)達(dá)到9.320×10-6 K-1，明顯高于a向的8.380×10-6 K-1，這與六方晶系中c軸方向的原子鍵合力較弱有關(guān)。值得注意的是，在1273 K以上，熱膨脹系數(shù)的溫度依賴性明顯減弱，這可能與高溫下聲子軟化效應(yīng)相關(guān)。

3.2 熱導(dǎo)率特性

室溫下測得r向熱導(dǎo)率最高（36.52 W/(m·K)），比a向高出約16.2%。隨著溫度升高，三個晶向的熱導(dǎo)率均呈單調(diào)下降趨勢，在1273 K時分別降至5.550 W/(m·K)（a向）、7.650 W/(m·K)（c向）和9.150 W/(m·K)（r向）。這種變化規(guī)律符合Umklapp聲子散射機(jī)制。通過對比發(fā)現(xiàn)，r向始終保持最優(yōu)的熱傳導(dǎo)性能，這與其晶體學(xué)取向上的原子排列密度較低、聲子平均自由程較大有關(guān)。

 

4、結(jié)論
 

1. 藍(lán)寶石晶體的熱學(xué)性能表現(xiàn)出顯著的各向異性特征。在測試溫度范圍內(nèi)，c向熱膨脹系數(shù)始終最大，a向最小，r向居中；而熱導(dǎo)率則呈現(xiàn)r向>c向>a向的規(guī)律。這種各向異性源于六方晶系的結(jié)構(gòu)特征。

2. 溫度對熱學(xué)性能影響顯著。在573 K以下，熱膨脹系數(shù)隨溫度升高快速增大，這對晶體生長過程中的熱應(yīng)力控制提出了更高要求。建議在晶體冷卻過程中，高溫區(qū)（>1273 K）可采用較快冷卻速率（5-10 K/min），而在低溫區(qū)（<573 K）則應(yīng)放緩至1-2 K/min。

3. r向展現(xiàn)出最佳的熱傳導(dǎo)性能，在需要高效散熱的器件應(yīng)用中（如高功率LED襯底、激光窗口等），建議優(yōu)先選擇r向晶體。同時，在晶體生長工藝優(yōu)化時，應(yīng)考慮各向異性帶來的熱應(yīng)力分布特點(diǎn)，以獲取更高質(zhì)量的晶體。

本研究建立的寬溫域熱物性數(shù)據(jù)庫，為藍(lán)寶石晶體的工程應(yīng)用提供了重要參考。特別是在極端環(huán)境下的器件設(shè)計(jì)，需要充分考慮溫度對材料熱學(xué)性能的影響規(guī)律。


5、結(jié)語

作為國內(nèi)領(lǐng)先的半導(dǎo)體材料解決方案提供商，上海知明科技專注于藍(lán)寶石襯底、碳化硅及硅片等關(guān)鍵材料的研發(fā)與制造，致力于為LED、射頻器件和功率電子領(lǐng)域提供創(chuàng)新性的襯底解決方案。公司擁有從晶體生長到精密加工的完整產(chǎn)業(yè)鏈，采用國際先進(jìn)的導(dǎo)模法(EFG)和熱交換法(HEM)晶體生長技術(shù)，結(jié)合創(chuàng)新的表面處理工藝，確保材料具有優(yōu)異的結(jié)晶質(zhì)量（位錯密度<103cm-2）和表面平整度（TTV≤5μm）。

在產(chǎn)品供應(yīng)方面，上海知明科技提供全方位的半導(dǎo)體材料解決方案。藍(lán)寶石襯底產(chǎn)品包括2-8英寸圓片及最大150×150mm方片，厚度規(guī)格0.1-1.5mm（公差±0.01mm），提供C面、A面、R面等多種晶向選擇；碳化硅材料涵蓋4H/6H-SiC襯底（2-6英寸），包括導(dǎo)電型和半絕緣型產(chǎn)品；硅片產(chǎn)品則覆蓋2-12英寸單晶硅片及SOI等特殊硅片。通過精確的晶向控制和摻雜技術(shù)，我們可以調(diào)控材料的熱膨脹系數(shù)（4.5-8.5×10??/K）和電阻率（10³-1012Ω·cm），滿足不同應(yīng)用場景的性能需求。
 

知明  8寸&12寸藍(lán)寶石晶圓