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蓝宝石衬底上能长些啥？

日期：2022-03-22 浏览次数：次

在基片/衬底材料领域，无疑占据着龙头地位。举个LED芯片的例子，从(cong)衬底材(cai)料的使(shi)用(yong)来看，除了Cree采用碳化硅衬底、晶能采用硅衬底，目前世界上绝大多数的芯片制造商都采用蓝宝石衬底。

蓝宝石

蓝宝石是(shi)一种氧(yang)化(hua)物晶体，又名刚玉，主要化(hua)学成分是(shi)氧(yang)化(hua)铝(Al₂O₃)，纯净(jing)的氧化铝(lv)晶体呈无色(se)透明状

这里提到的衬(chen)底(substrate)其实是指用于外(wai)(wai)延(yan)生长(zhang)晶(jing)体(ti)薄(bo)膜的(de)单晶(jing)晶(jing)片(pian)，也(ye)叫基片(pian)。它既可(ke)以(yi)在(zai)(zai)半导体(ti)领域中直(zhi)接进入晶(jing)圆制造环节生产半导体(ti)器件，也(ye)可(ke)以(yi)在(zai)(zai)经过切、磨(mo)、抛等仔细(xi)加(jia)工后，在(zai)(zai)一定(ding)条件下作为(wei)外(wai)(wai)延(yan)生长(zhang)的(de)基础，让同种或另(ling)一种单晶(jing)体(ti)在(zai)(zai)其表(biao)面上定(ding)向生长(zhang)。

衬底(di)本(ben)身可能(neng)有(you)某种特殊功(gong)能(neng)和用途，也可能(neng)只是用来作(zuo)新材料的(de)(de)衬底(di)，本(ben)身并无其它特别(bie)用途。以(yi)往作(zuo)为薄(bo)膜衬底(di)的(de)(de)材料有(you)玻(bo)璃、陶瓷和金属板材等，但现在(zai)比较主流的(de)(de)就(jiu)是蓝宝(bao)石、Si、SiC等，其中蓝宝石的用量尤其大。

蓝宝石衬底

蓝宝石衬底(di)

那(nei)蓝宝石为(wei)什么能(neng)受欢迎呢(ni)，主要有以下几个(ge)原因：

①蓝宝石(shi)衬底的生产技(ji)术成熟、器(qi)件(jian)质量(liang)较好(hao)；

②蓝(lan)宝石(shi)的稳定性很好(hao)，能够运用在高(gao)温生长过程中；

③蓝(lan)宝石的机械强(qiang)度(du)高，易于处理和(he)清洗。

目前，包括(kuo)半导(dao)体在(zai)内(nei)许(xu)多材(cai)料(liao)生产(chan)都会采用(yong)蓝(lan)宝(bao)石(shi)作为基片/衬底(di)。而生产(chan)蓝(lan)宝(bao)石(shi)晶体主(zhu)要(yao)消(xiao)耗的(de)原料(liao)为高纯氧化(hua)铝(lv)，高纯度的(de)氧化(hua)铝(lv)粉(fen)可以提(ti)高蓝(lan)宝(bao)石(shi)晶体的(de)纯度和透光性(xing)，进而提(ti)升(sheng)蓝(lan)宝(bao)石(shi)材(cai)料(liao)的(de)使用(yong)性(xing)能。

二、蓝宝石衬底可生长的材料

蓝宝石(shi)单(dan)晶因(yin)其优(you)(you)良(liang)的(de)机械性(xing)(xing)能、介(jie)(jie)电(dian)性(xing)(xing)能（适中的(de)介(jie)(jie)电(dian)常数和较低的(de)介(jie)(jie)电(dian)损耗）、化学稳(wen)定性(xing)(xing)以及高表(biao)面(mian)平滑度(du)而成为制(zhi)备高温超导薄膜、红外光学材料(liao)、微电(dian)子器件等的(de)最(zui)优(you)(you)质基(ji)片和衬底材料(liao)。

目前能够在蓝宝(bao)石衬底上生长的材料有很多，以(yi)下小编就挑一些最近比较受大(da)家关注的领(ling)域(yu)来讲讲~

1.光电器件

蓝宝石衬底在该领域能生长的代表材料就是(shi)氮(dan)化(hua)镓(GaN)。GaN的鼎鼎大名响彻材料界，所以这里就不多加介绍了。蓝宝(bao)石晶体结(jie)构(gou)与GaN相同，为六方结构。蓝宝石的带隙宽、折射率低(1.7)、化学稳定性好，在1000℃高温也不与氢气发生反应，可用于高温生长，透光、技术成熟。目前蓝宝石作为衬底，生产技术成熟、器件质量、稳定性都较好，能够运用在高温生长过程中，机械强度高，易于处理和清洗，由于衬底性能限制，很(hen)难应(ying)用到(dao)射频和功率(lv)领域(yu)（不(bu)过也不(bu)一定(ding)，具体(ti)可看下文），目前应(ying)用于LED产业，主流为4英寸。

PS：目前蓝宝石(shi)在(zai)LED衬底(di)的(de)应用在(zai)所有下游消费中的(de)占比为80%，受相关政(zheng)策的(de)推动近年(nian)蓝宝石(shi)的(de)需求量稳步提升，市(shi)场规模也(ye)持续保持着增长趋(qu)势。

另外值(zhi)得一(yi)提(ti)的是，如(ru)果想要改善GaN薄(bo)膜的晶(jing)体质量(liang)，也(ye)可以(yi)选择生长良好的AIN薄膜作(zuo)为GaN的缓冲层（AIN与GaN有(you)更好的晶格匹配(pei)和热匹配(pei)）。与Si相比，蓝宝(bao)石(shi)衬(chen)底与AIN有更好(hao)的晶格(ge)匹配，而和(he)硬度极高(gao)(gao)的6H-SiC相(xiang)比，蓝宝(bao)石(shi)更能被抛(pao)光(guang)出更高(gao)(gao)的表面质量，提高(gao)(gao)薄膜的质量，因此已经成功运(yun)用到Ⅲ族氮化物的生长。相关报道已经证明，采用金属(shu)有(you)机化学(xue)物(wu)气相沉积或(huo)者分(fen)子束外延的(de)方法制(zhi)备(bei) AIN 薄膜，由于蓝宝石的稳定性及共享的 c 轴六角空间群，（0001）取向的蓝宝石是AlN薄膜外延生长的合适衬底。

氮化铝薄膜作为蓝宝石衬底上的缓冲层

氮化铝薄(bo)膜(mo)作为蓝宝石衬(chen)底上的(de)缓冲层

蓝宝石衬底上生长的AlN薄膜SEM截面图

蓝(lan)宝石衬底上生(sheng)长的AlN薄(bo)膜SEM截面图(tu)

2.毫米波射(she)频芯(xin)片(pian)

虽(sui)然上面说(shuo)了蓝宝石很难应用到射频(pin)和功率领域，但也有勇士明(ming)知山有虎偏向虎山行(xing)。去(qu)年(nian)10月GaN功率转换产品全球供应商Transphorm宣布获得美国国防部高级研究计划局一份价值140万美元的合同。根据合同，Transphorm将开发和制造氮极性(N-polar) GaN解决方案。

令人惊奇的是(shi)，Transphorm表示他(ta)们将(jiang)探索使用(yong)蓝(lan)宝(bao)石衬底(di)来开发(fa)氮(dan)极(ji)性氮(dan)化(hua)镓(jia)解决方案，因为(wei)这样(yang)操作的话，成本(ben)效(xiao)益将(jiang)比传统的镓(jia)极(ji)性SiC解决方案高很多——据了(le)解，与4英寸(cun)(cun)SiC相(xiang)比，4英寸(cun)(cun)蓝(lan)宝石基GaN晶圆的成本降(jiang)低了(le)2-3倍左(zuo)右(you)。

蓝宝石衬底上能长些啥？

不(bu)过这(zhei)项计划还在进行中，也不(bu)知道何时(shi)能成功并投入商业(ye)化。Transphorm首席技术官兼联合创始人 Mishra博士(shi)是这(zhei)么说(shuo)的：“蓝宝石(shi)是具有(you)吸引力(li)的(de)材料，但因为(wei)低导热性一直(zhi)被忽(hu)视。我们相信(xin)，通过创新工程，我们的(de)项目团(tuan)队可以(yi)克服这一限制，让射(she)(she)频外延客户能够以(yi)美元级实现更(geng)高(gao)效的(de)射(she)(she)频功率。”

3.高温超导(dao)薄膜

现代电子技术，尤其是微波电子无源器件技术，是以薄膜技术的发展为基础的，因此高温超导薄膜成为现代微波电子器件应用中一个重要的研究课题。

根据二流体(ti)模型(xing)、高(gao)(gao)温超(chao)(chao)导(dao)材料的(de)微波(bo)(bo)表面电阻与频(pin)率的(de)平方成反(fan)比(bi)，在10 GHz频(pin)率液(ye)氮(dan)温度下，高(gao)(gao)温超(chao)(chao)导(dao)薄(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)的(de)微波(bo)(bo)表面电阻比(bi)铜低(di)1~2个数量级，且用(yong)高(gao)(gao)温超(chao)(chao)导(dao)薄(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)制备(bei)的(de)微波(bo)(bo)无源(yuan)器件(jian)具有(you)很高(gao)(gao)的(de)品质因(yin)数，因(yin)此在微波(bo)(bo)领域的(de)应用(yong)中，以(yi)Tl系薄(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)为(wei)代表的(de)高(gao)(gao)温超(chao)(chao)导(dao)薄(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)可以(yi)显著的(de)改善(shan)微波(bo)(bo)无源(yuan)器件(jian)的(de)性(xing)能，相比(bi)传统材料具有(you)明显的(de)优势。目前，高(gao)(gao)温超(chao)(chao)导(dao)器件(jian)尤其(qi)是微波(bo)(bo)无源(yuan)器件(jian)已开始广泛应用(yong)于电子(zi)通信领域，而(er)高(gao)(gao)温超(chao)(chao)导(dao)薄(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)则是制作超(chao)(chao)导(dao)微波(bo)(bo)器件(jian)的(de)基(ji)本载体(ti)。

通信卫星是高温超导微波器件

通信卫星是高温超导微波器件的重要应用场合

在制备Tl系高温超导薄膜的众多衬底材料中，蓝宝石和 MgO单晶基片具有适中的介电常数和较低的微波损耗，因此非常适合于在微波领域的应用。特别是大面积的蓝宝石单晶基片价(jia)格(ge)相对较低，对高温超导薄膜在微(wei)波(bo)领(ling)域中的应用和推广有着(zhe)重要(yao)的意义。

4.红外光(guang)学(xue)材料

中红(hong)(hong)外波段(duan) 3~5μm 是红(hong)(hong)外探测器(qi)(qi)常用(yong)的一个窗口，探测器(qi)(qi)在(zai)使(shi)用(yong)过(guo)程可(ke)能受到高能量激光的辐射(she)而损坏，因此(ci)有必要在(zai)红(hong)(hong)外窗口表面制(zhi)备具有激光防护作用(yong)的红(hong)(hong)外增透膜(mo)。

蓝宝石晶体在紫外(wai)(wai)波(bo)段(duan)、可(ke)见光波(bo)段(duan)、红外(wai)(wai)波(bo)段(duan)都具有良好(hao)的透过率，因而常被用作(zuo)高强度激光器的窗口材料。但作(zuo)为中红外(wai)(wai)波(bo)段(duan)3~5μm窗口材料蓝宝石基底的透过率满足不了使用要求，应用于高能激光系统中也非常容易损坏。因此，在蓝宝石衬底表面设计、制备能提高透过率又具有抗激光损伤能力的减反射薄膜来弥补白身性能的不足。

对薄膜(mo)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)选择，首(shou)先要考(kao)虑(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)是薄膜(mo)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)学性能，如(ru)折射率、消光(guang)(guang)系数、透射波段(duan)以及膜(mo)料(liao)在设计波段(duan)的(de)(de)(de)(de)(de)吸收、高(gao)低折射率的(de)(de)(de)(de)(de)配比，此(ci)外还必须考(kao)虑(lv)薄膜(mo)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)机械性能。以下是目前常用的(de)(de)(de)(de)(de)镀膜(mo)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)部(bu)分物理参数：

镀膜材料的部分物理参数

5.石墨烯(xi)

石(shi)墨烯(xi)材料(liao)(liao)的(de)制备(bei)技术是研究其性能和探索其应用的(de)基础前提(ti)。在众多的(de)材料(liao)(liao)制备(bei)方法(fa)中，过(guo)渡金(jin)属(shu)表面化(hua)学气(qi)相沉积(CVD)法(fa)可以实现大面积和高质(zhi)量的(de)石(shi)墨烯(xi)材料(liao)(liao)的(de)制备(bei)。该方法(fa)的(de)特点(dian)是成本低、工艺简(jian)单并(bing)适合大规(gui)模工业化(hua)生长。

传(chuan)统CVD法制备石墨烯采用Ni、Cu等催化金属衬底(di)，其生(sheng)长利用了金属(shu)碳高(gao)温(wen)溶(rong)解和低温(wen)析出的原(yuan)理，存在(zai)碳固溶(rong)的问题。蓝宝石衬底(di)表面(mian)致(zhi)密，碳源气体中(zhong)的C原子很难进入衬底内部，不存在碳固溶的问题。而且，蓝宝石表面生长的石墨烯材料无需进行衬底转移，避免了转移过程中引入的杂质，界面和掺杂电荷等散射源。此外，蓝宝石表层石墨烯与衬底之间没有强相互作用力，有利于保持石墨烯本身优良的电学特性。因此，蓝宝石衬底CVD法生长石墨烯在材料制备及应用领域具有非常高的价值。

蓝宝石衬底生长石墨烯的AFM平面图