白寶石單晶及其金屬化技術

真空電子技術 高隴橋 北京真空電子技術研究所

  白寶石即無色寶石,俗稱剛玉,是純凈Al2O3最基本的單晶形態。化學成分為Al2O3,晶型為α-Al2O3,屬三角晶系,具有復三方偏三角面體的對稱形,其對稱要素為L3 63L23PC。從氧化物來看,Al2O3是地殼中僅次于SiO2含量而存在最多的氧化物,而且較易實現產業化。人造寶石也是以Al2O3作為主要基本原料。因而具有制造、應用和成本上的較大優勢。

  起初,天然寶石的質量和數量不能滿足市場用著裝飾品的需求,人造寶石因而應運而生。人造寶石的種類很多,最早工業生產的寶石則是1900年由法國化學家維納爾發明的焰熔法成功得到的,其方法是用純凈的γ-Al2O3為原料,摻雜Cr2O3并以氫氧焰熔融而制造的。從此,人造寶石的生產得到飛躍的發展,僅1913年全世界人造紅寶石的產量就已達到1000萬克拉。

  裝飾品用的剛玉單晶是引入了各種金屬氧化物著成各種顏色,俗稱“彩色寶石”。根據引用不同金屬氧化物的鹽類和數量(著色劑),以達到所期望的色彩。表1為人造寶石中的著色劑及其顯示顏色。應該指出,人造寶石不僅可以作為裝飾品之用,而且更主要的是可應用于工業和尖端技術。其中,白寶石是人造寶石中一個非常重要的品種,它和人造水晶、硅單晶同樣重要。所以真空技術網(http://www.qbjic.club/)認為它在現代科學技術中已經和必將得到更加廣泛的應用。它與“彩色寶石”在應用和性能上都有明顯區別。

表1 人造寶石中著色劑及其顯示顏色

人造寶石中著色劑及其顯示顏色

  由于早期的一些研究工作中,曾使用過藍寶石做為白寶石的代用品,所以現今在一些書刊文章中仍有將白寶石習慣地寫成藍寶石。時至今日,由于現代科學技術的快速發展,建議兩者不要混為一談。例如:在微電子技術中,用于制作單片微波IC、門陣列以及CMOS等的SOS電路是在白寶石(1102)片上作為襯底,異質外延而完成的;在激光領域中,藍寶石(Ti:Al2O3)和紅寶石(Cr:Al2O3)是摻雜精確,性能十分優良且波長各異的激光介質;而在真空電子技術中,可用于微波輸出窗,特別是8mm(Ka波段)輸出窗,國內外有關公司多采用垂直于c軸的白寶石片(0001)并已取得普遍良好效果,當今更是以此作為襯底應用于LED器件中的首選材料。

1、白寶石單晶的一般基本物化性能

  白寶石單晶具有高強度、高硬度、高耐磨性以及高腐蝕性。同時,還兼有優良的介電性能,特別有非常低的介質耗損和優良的絕緣性能。此外,還有良好的透光性,在可見光到5.6μm 光譜范圍內,具有良好的透過率,在3~5μm 范圍內,其透過率均高于85%。

2、白寶石單晶的晶格類型和結構

  白寶石單晶體屬三方晶系,具有復三方偏三角面體的對稱形,其對稱要素為L363L23PC(L36為六次象轉軸,3L2為三個二次對稱軸,3P為三個對稱面,C 為對稱中心)。其晶體和對稱要素見圖1。L36(相當于Z,C 軸)是晶體的光軸方向,在這個方向上不發生雙折射。光軸角或晶體取向是指L36與晶體生長方向(生長軸或幾何對稱軸)的夾角ρ,見圖2。

白寶石單晶及其金屬化技術

圖1 白寶石單晶及其對稱要素 圖2 白寶石單晶的光軸取向

  應該指出,白寶石單晶具有各向異性的特點,對光軸角或晶體取向,應引起制管設計師們的特別關注。例如,對晶體C 軸方向不同的晶面,其性能是有差異的。見表2。

表2 白寶石單晶某些各向異性的比較

白寶石單晶某些各向異性的比較

  從表2可以看出:以介電性能而言,選用垂直于C 軸的白寶石晶面,對微波電子器件性能是有利的。剛玉晶體屬于何種晶系,多年來,亦有不同的看法。一些資料認為屬六方晶系。作者認為:由于剛玉晶體具有復三方偏三角的對稱要素,在結晶學上表示為L363L2 3PC,沒有真正意義上的繞直線旋轉、重復的對稱軸L6,其單位晶胞是菱面體,因而歸屬于三方晶系較為適當。

3、結論

  (1)白寶石單晶具有各向異性,因而在選擇晶面應用時,應根據應用領域或電子器件的需求而定。

  (2)白寶石單晶既不含有玻璃相、氣相又不存在晶界,因而在金屬化工藝中比高Al2O3瓷和高純Al2O3瓷困難得多,需要十分講究其配方和工藝。

  (3)目前可以完成白寶石金屬化和封接的方法較多,但是,封接強度高、氣密性好且適合于產業化者非活化Mo-Mn法(活化W-Y)莫屬。

  (4)白寶石單晶具有與藍寶石不同的特點,時至今日,已在大量應用,并發展成一種高科技中多應用、多功能的材料,建議應該與藍寶石的名稱有所區別,堪稱白寶石為宜。