藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)技術(shù)研發(fā)

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1、合約編號(hào)：華機(jī)95專案字011號(hào)中華技術(shù)學(xué)院產(chǎn)學(xué)合作研究計(jì)畫結(jié)案報(bào)告機(jī)械工程系合作廠商：越峯電子材料股份有限公司計(jì)畫執(zhí)行時(shí)程：95年3月17日至96年8月31日計(jì)畫金額：1,262,000元計(jì)畫主持人﹕黃聖芳博士藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)技術(shù)研發(fā)越峰電子材料股份有限公司委託主導(dǎo)性研究計(jì)畫結(jié)案報(bào)告計(jì)畫主持人：黃聖芳中華技術(shù)學(xué)院機(jī)械系Tel：02-27867048ext.24,0921833132Fax：27867253e-mail：sfhuang@cc.chit.edu.tw臺(tái)北市115南港區(qū)研究院路三段245號(hào)計(jì)畫執(zhí)行時(shí)程：95年3月17日至96年8月31日目錄1、研究背景22、藍(lán)寶石之特

2、性53、藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)方法介紹74、原料、設(shè)備與實(shí)驗(yàn)方法175、晶體檢測(cè)程序276、計(jì)畫執(zhí)行成果287、結(jié)論361、研究背景：藍(lán)寶石(Sapphire)是一種氧化鋁(Al2O3)的單晶，又稱為剛玉(Corundum)，由於具有優(yōu)良的機(jī)械、光學(xué)、化學(xué)以及抗輻射性質(zhì)，因此近年來受到工業(yè)界廣泛的應(yīng)用。由於藍(lán)寶石的光學(xué)穿透範(fàn)圍非常的寬，從波長(zhǎng)190nm的近紫外光到波長(zhǎng)5500nm的中紅外光，藍(lán)寶石都有很好的透光率，因此大量被使用作為特種光學(xué)元件的透鏡材料、高功率雷射的透鏡材料以及飛彈彈頭光罩的材料，如圖1所示。由於藍(lán)寶石具有非常高的硬度與耐磨耗性能，因此也常作為精密機(jī)械的軸承材料，如圖

3、2所示。又因具有的良好之抗幅射性能，也使得藍(lán)寶石常被應(yīng)用於航太機(jī)具或暴露於輻射環(huán)境中的光學(xué)元件材料，如圖3所示。此外，目前在製作藍(lán)白光LED時(shí)所使用的基板材料(Substrate)，也是以藍(lán)寶石為主，圖4所示即為藍(lán)光發(fā)光二極體(LED)的結(jié)構(gòu)示意圖。由於藍(lán)白光LED具有使用壽命長(zhǎng)、消耗功率低，發(fā)光效率高等優(yōu)勢(shì)，已成為未來照明燈具的主流，深具市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿?，因而使得作為製作藍(lán)白光LED基材的藍(lán)寶石之市場(chǎng)需求量也大幅提升。目前國(guó)內(nèi)工業(yè)界對(duì)藍(lán)寶石的需求量很大，但幾乎全仰賴從美、日、俄等國(guó)進(jìn)口，主要原因是國(guó)內(nèi)缺乏生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶的技術(shù)與人才。而美日等國(guó)有能力生產(chǎn)藍(lán)寶石單晶的廠商，所提出的技

4、術(shù)移轉(zhuǎn)費(fèi)用都非常的高，以致迄今尚無國(guó)內(nèi)業(yè)者與美日等國(guó)的藍(lán)寶石單晶生產(chǎn)廠商進(jìn)行合作。本校(中華技術(shù)學(xué)院)與俄羅斯的Vniisims公司進(jìn)行技術(shù)合作，引進(jìn)生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶的長(zhǎng)晶爐與長(zhǎng)晶技術(shù)，並建置完成整套生長(zhǎng)藍(lán)寶石的製程，並已多次成功生長(zhǎng)出符合工業(yè)品質(zhì)需求的藍(lán)寶石單晶。越峰電子材料股份有限公司正在積極發(fā)展藍(lán)寶石單晶的長(zhǎng)晶技術(shù)，並已從俄羅斯引進(jìn)所需的長(zhǎng)晶設(shè)備。本計(jì)畫即為本校與越峰公司共同簽定的主導(dǎo)性科專產(chǎn)學(xué)合作計(jì)畫，期望藉由本校已從俄羅斯技術(shù)移轉(zhuǎn)所得的藍(lán)寶石單晶長(zhǎng)晶技術(shù)為基礎(chǔ)，繼續(xù)研究開發(fā)在藍(lán)寶石單晶的長(zhǎng)晶製程中，各個(gè)參數(shù)對(duì)晶體品質(zhì)的影響程度，進(jìn)而發(fā)展出可生產(chǎn)品質(zhì)更佳且更穩(wěn)定的藍(lán)寶石單

5、晶之製程技術(shù)，提供產(chǎn)業(yè)界量產(chǎn)之用。本研究計(jì)畫預(yù)定完成之工作項(xiàng)目計(jì)有下列六項(xiàng)：1、瞭解不同形態(tài)的氧化鋁原料在藍(lán)寶石單晶長(zhǎng)晶時(shí)的合適的比例。2、確認(rèn)長(zhǎng)晶程序中各個(gè)階段的調(diào)配與控制對(duì)藍(lán)寶石單晶品質(zhì)的影響程度。3、透過製程參數(shù)的控制，包括：加熱電壓、加熱時(shí)間、加熱溫度、下晶種方式以及晶種拉升速率等。掌控製程參數(shù)對(duì)藍(lán)寶石單晶品質(zhì)之影響程度。4、獲悉藍(lán)寶石單晶所含的缺陷型態(tài)與數(shù)量。5、完成硬度分析。(a)(b)圖1.(a)藍(lán)寶石晶棒與所製成的透鏡，(b)藍(lán)寶石所製成的光罩圖2.藍(lán)寶石單晶所製成的軸承圖3.航太機(jī)具的光學(xué)元件材料(a)(b)圖4.藍(lán)白光發(fā)光二極體(LED)之(a)外觀及(b)

6、內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖2、藍(lán)寶石之特性藍(lán)寶石的組成為氧化鋁(Al2O3)，是由三個(gè)氧原子和兩個(gè)鋁原子以共價(jià)鍵型式結(jié)合而成，如圖5(a)所示。其晶體結(jié)構(gòu)為六方晶格結(jié)構(gòu)，如圖5(b)、(c)所示。就顏色而言，單純的氧化鋁結(jié)晶是呈現(xiàn)透明無色的，因不同顯色元素離子滲透於生長(zhǎng)中的藍(lán)寶石，因而使藍(lán)寶石顯出不同的顏色。在自然界中當(dāng)藍(lán)寶石在生3+3+長(zhǎng)時(shí)，晶體內(nèi)含有鈦離子（Ti）與鐵離子（Fe）時(shí)，會(huì)使晶體呈現(xiàn)藍(lán)色，3+而成為藍(lán)色藍(lán)寶石（BlueSapphire）。當(dāng)晶體內(nèi)含有鉻離子(Cr)時(shí)，會(huì)使晶體3+呈現(xiàn)紅色，而成為紅寶石(Ruby)。又當(dāng)晶體內(nèi)含有鎳離子(Ni)時(shí)，會(huì)使晶體呈現(xiàn)黃色，而成為黃色

7、藍(lán)寶石。(a)(b)(c)圖5.Al2O3之(a)分子結(jié)構(gòu)，以及晶體結(jié)構(gòu)圖(b)上視圖與(c)側(cè)視圖表1所列為藍(lán)寶石之特性表，從表上所列之各種性質(zhì)數(shù)值，可見藍(lán)寶石單晶在化學(xué)、電學(xué)、機(jī)械、光學(xué)、表面特性、熱力學(xué)以及耐久性等方面，均具有優(yōu)越特性，因而使之成為應(yīng)用最為廣泛的人工合成單晶材料。藍(lán)寶石具有的特性說明如下：(1)化學(xué)穩(wěn)定性：藍(lán)寶石具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性，在絕大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)過程中不會(huì)被腐蝕。(2)機(jī)械特性：藍(lán)寶石單晶因其高硬度和高強(qiáng)度，可以在溫度範(fàn)圍從超低溫至1500°C高溫之間的不同環(huán)境中