摘要

本研究系统考察了热交换法生长的蓝宝石晶体在宽温域(298～1773 K)内的热学性能。采用高精度测试设备，获得了晶体三个主要晶向的热膨胀系数、比热容、热扩散系数及热导率等关键参数。实验结果表明：在测试温度范围内，c向(α33)、a向(α11)和r向(αr)的热膨胀系数分别从6.010×10-6 K-1、5.310×10-6 K-1、5.400×10-6 K-1增长至9.320×10-6 K-1、8.380×10-6 K-1、8.820×10-6 K-1；比热容在298～1273 K范围内由0.780 J/(g·K)线性增加至1.225 J/(g·K)；热导率则呈现明显的温度依赖性，从室温下的31.430～36.520 W/(m·K)降至高温时的5.550～9.150 W/(m·K)。这些数据为蓝宝石晶体的工程应用提供了重要的热物性参考。

关键词：蓝宝石晶体；热膨胀；比热；热扩散系数；热导率；各向异性

 

1、引言

蓝宝石晶体(α-Al2O3)作为一种重要的功能材料，因其独特的物理化学性质（熔点高达2053℃、莫氏硬度9级、优良的化学稳定性等）而被广泛应用于光学窗口、半导体衬底、激光介质等领域。其六方晶系结构决定了其物理性能的各向异性特征，这在热学性能方面表现得尤为突出。蓝宝石品体结构属六方晶系，在常温下其晶格参数a=b=0.4759nm,c=1.2992nm,α=β=90°,γ=120°。组成晶体的原子在空间呈周期性重复排列，在同一晶体的格子中,在不同的方向上质点的排列情况一般是不相同的,所以晶体的一些性质也随着方向的不同而有所差异，由此晶体表现出各向异性。蓝宝石晶体的结构为六方晶胞,C面为密排面,a轴平行于C面,c轴方向原子或离子间的距离大于a轴方向，其热学性能表现为各向异性，并对晶体生长及应用产生影响。

深入理解蓝宝石晶体的热学性能各向异性，对于优化晶体生长工艺、提高器件性能以及拓展应用领域都具有重要意义。

 

2、实验

本研究选用热交换法生长的a轴向蓝宝石晶体为研究对象。该生长方法能够获得低位错密度的高质量单晶。通过X射线衍射定向仪精确确定晶向，采用金刚石线切割技术制备了（0001）C面、（1120）A面和（1102）R面三种取向的样品，尺寸精度控制在±0.02 mm以内。
 

2.1 热膨胀系数测量

采用德国耐驰公司DIL402C型热膨胀仪，配备高纯度Al2O3参比样。测试蓝宝石品体c,a和r方向的热膨胀系数,所用试样的尺寸为 10.00 mmx10.00 mm x2.00 mm,测试的温度范围为 298~1773K,升温速率5℃/min,控温精度为0.3 ℃,分辨率:0.125 nm/1.25 nm,实验误差小于5%。
 

2.2 比热测量

使用STA409PC同步热分析仪，采用三步法进行比热测试。选用蓝宝石标准样品进行仪器校准，测试过程中保持10 K/min的恒定升温速率，数据采集频率为1 Hz。
 

2.3 热扩散系数测量

采用激光脉冲法测量蓝宝石单晶的热扩散系数,测量的仪器是德国耐驰公司生产的闪光热导仪LFA427/4/G,测试温度范围为298~1273K。所测试的样品有C,A和R面三种晶片,其尺寸分别为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。测试过程中样品的四周涂以石墨,激光从加热面(正面)入射,背面用InSb 检测器来测定品体温度的变化,在温度升高到 800℃以上时,石墨会发生氧化现象,导致测试数据发生异常,为防止石墨的氧化,在温度升高到800℃时每隔100℃通入保护气体以防止石墨的氧化。

 

3、结果与讨论

3.1 热膨胀特性

测试数据显示，在298-573 K温区内，热膨胀系数随温度升高显著增大，a向、c向和r向的增长率分别为38.2%、42.1%和39.3%。这种非线性变化与晶格振动非谐效应密切相关。当温度升至1773 K时，c向热膨胀系数达到9.320×10-6 K-1，明显高于a向的8.380×10-6 K-1，这与六方晶系中c轴方向的原子键合力较弱有关。值得注意的是，在1273 K以上，热膨胀系数的温度依赖性明显减弱，这可能与高温下声子软化效应相关。

3.2 热导率特性

室温下测得r向热导率最高（36.52 W/(m·K)），比a向高出约16.2%。随着温度升高，三个晶向的热导率均呈单调下降趋势，在1273 K时分别降至5.550 W/(m·K)（a向）、7.650 W/(m·K)（c向）和9.150 W/(m·K)（r向）。这种变化规律符合Umklapp声子散射机制。通过对比发现，r向始终保持最优的热传导性能，这与其晶体学取向上的原子排列密度较低、声子平均自由程较大有关。

 

4、结论
 

1. 蓝宝石晶体的热学性能表现出显著的各向异性特征。在测试温度范围内，c向热膨胀系数始终最大，a向最小，r向居中；而热导率则呈现r向>c向>a向的规律。这种各向异性源于六方晶系的结构特征。

2. 温度对热学性能影响显著。在573 K以下，热膨胀系数随温度升高快速增大，这对晶体生长过程中的热应力控制提出了更高要求。建议在晶体冷却过程中，高温区（>1273 K）可采用较快冷却速率（5-10 K/min），而在低温区（<573 K）则应放缓至1-2 K/min。

3. r向展现出最佳的热传导性能，在需要高效散热的器件应用中（如高功率LED衬底、激光窗口等），建议优先选择r向晶体。同时，在晶体生长工艺优化时，应考虑各向异性带来的热应力分布特点，以获取更高质量的晶体。

本研究建立的宽温域热物性数据库，为蓝宝石晶体的工程应用提供了重要参考。特别是在极端环境下的器件设计，需要充分考虑温度对材料热学性能的影响规律。


5、结语

作为国内领先的半导体材料解决方案提供商，上海知明科技专注于蓝宝石衬底、碳化硅及硅片等关键材料的研发与制造，致力于为LED、射频器件和功率电子领域提供创新性的衬底解决方案。公司拥有从晶体生长到精密加工的完整产业链，采用国际先进的导模法(EFG)和热交换法(HEM)晶体生长技术，结合创新的表面处理工艺，确保材料具有优异的结晶质量（位错密度<103cm-2）和表面平整度（TTV≤5μm）。

在产品供应方面，上海知明科技提供全方位的半导体材料解决方案。蓝宝石衬底产品包括2-8英寸圆片及最大150×150mm方片，厚度规格0.1-1.5mm（公差±0.01mm），提供C面、A面、R面等多种晶向选择；碳化硅材料涵盖4H/6H-SiC衬底（2-6英寸），包括导电型和半绝缘型产品；硅片产品则覆盖2-12英寸单晶硅片及SOI等特殊硅片。通过精确的晶向控制和掺杂技术，我们可以调控材料的热膨胀系数（4.5-8.5×10⁻⁶/K）和电阻率（10³-1012Ω·cm），满足不同应用场景的性能需求。
 

知明  8寸&12寸蓝宝石晶圆