白宝石单晶及其金属化技术

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京真空电子技术研究所 作者:高陇桥

  白宝石即无色宝石,俗称刚玉,是纯净Al2O3最基本的单晶形态。化学成分为Al2O3,晶型为α-Al2O3,属三角晶系,具有复三方偏三角面体的对称形,其对称要素为L3 63L23PC。从氧化物来看,Al2O3是地壳中仅次于SiO2含量而存在最多的氧化物,而且较易实现产业化。人造宝石也是以Al2O3作为主要基本原料。因而具有制造、应用和成本上的较大优势。

  起初,天然宝石的质量和数量不能满足市场用着装饰品的需求,人造宝石因而应运而生。人造宝石的种类很多,最早工业生产的宝石则是1900年由法国化学家维纳尔发明的焰熔法成功得到的,其方法是用纯净的γ-Al2O3为原料,掺杂Cr2O3并以氢氧焰熔融而制造的。从此,人造宝石的生产得到飞跃的发展,仅1913年全世界人造红宝石的产量就已达到1000万克拉。

  装饰品用的刚玉单晶是引入了各种金属氧化物着成各种颜色,俗称“彩色宝石”。根据引用不同金属氧化物的盐类和数量(着色剂),以达到所期望的色彩。表1为人造宝石中的着色剂及其显示颜色。应该指出,人造宝石不仅可以作为装饰品之用,而且更主要的是可应用于工业和尖端技术。其中,白宝石是人造宝石中一个非常重要的品种,它和人造水晶、硅单晶同样重要。所以真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为它在现代科学技术中已经和必将得到更加广泛的应用。它与“彩色宝石”在应用和性能上都有明显区别。

表1 人造宝石中着色剂及其显示颜色

人造宝石中着色剂及其显示颜色

  由于早期的一些研究工作中,曾使用过蓝宝石做为白宝石的代用品,所以现今在一些书刊文章中仍有将白宝石习惯地写成蓝宝石。时至今日,由于现代科学技术的快速发展,建议两者不要混为一谈。例如:在微电子技术中,用于制作单片微波IC、门阵列以及CMOS等的SOS电路是在白宝石(1102)片上作为衬底,异质外延而完成的;在激光领域中,蓝宝石(Ti:Al2O3)和红宝石(Cr:Al2O3)是掺杂精确,性能十分优良且波长各异的激光介质;而在真空电子技术中,可用于微波输出窗,特别是8mm(Ka波段)输出窗,国内外有关公司多采用垂直于c轴的白宝石片(0001)并已取得普遍良好效果,当今更是以此作为衬底应用于LED器件中的首选材料。

1、白宝石单晶的一般基本物化性能

  白宝石单晶具有高强度、高硬度、高耐磨性以及高腐蚀性。同时,还兼有优良的介电性能,特别有非常低的介质耗损和优良的绝缘性能。此外,还有良好的透光性,在可见光到5.6μm 光谱范围内,具有良好的透过率,在3~5μm 范围内,其透过率均高于85%。

2、白宝石单晶的晶格类型和结构

  白宝石单晶体属三方晶系,具有复三方偏三角面体的对称形,其对称要素为L363L23PC(L36为六次象转轴,3L2为三个二次对称轴,3P为三个对称面,C 为对称中心)。其晶体和对称要素见图1。L36(相当于Z,C 轴)是晶体的光轴方向,在这个方向上不发生双折射。光轴角或晶体取向是指L36与晶体生长方向(生长轴或几何对称轴)的夹角ρ,见图2。

白宝石单晶及其金属化技术

图1 白宝石单晶及其对称要素 图2 白宝石单晶的光轴取向

  应该指出,白宝石单晶具有各向异性的特点,对光轴角或晶体取向,应引起制管设计师们的特别关注。例如,对晶体C 轴方向不同的晶面,其性能是有差异的。见表2。

表2 白宝石单晶某些各向异性的比较

白宝石单晶某些各向异性的比较

  从表2可以看出:以介电性能而言,选用垂直于C 轴的白宝石晶面,对微波电子器件性能是有利的。刚玉晶体属于何种晶系,多年来,亦有不同的看法。一些资料认为属六方晶系。作者认为:由于刚玉晶体具有复三方偏三角的对称要素,在结晶学上表示为L363L2 3PC,没有真正意义上的绕直线旋转、重复的对称轴L6,其单位晶胞是菱面体,因而归属于三方晶系较为适当。

3、结论

  (1)白宝石单晶具有各向异性,因而在选择晶面应用时,应根据应用领域或电子器件的需求而定。

  (2)白宝石单晶既不含有玻璃相、气相又不存在晶界,因而在金属化工艺中比高Al2O3瓷和高纯Al2O3瓷困难得多,需要十分讲究其配方和工艺。

  (3)目前可以完成白宝石金属化和封接的方法较多,但是,封接强度高、气密性好且适合于产业化者非活化Mo-Mn法(活化W-Y)莫属。

  (4)白宝石单晶具有与蓝宝石不同的特点,时至今日,已在大量应用,并发展成一种高科技中多应用、多功能的材料,建议应该与蓝宝石的名称有所区别,堪称白宝石为宜。

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