Bir safir gofret dilimleme, taşlama veya parlatma başlamadan önce en önemli özelliklerinin çoğunu miras alır. Kristal yönelimi, iç baloncuklar, kapanımlar, düşük açılı tane sınırları, çatlaklar ve artık gerilim zaten safir külçesinin içinde bulunur ve aşağı akış işlemenin birinci sınıf gofretler mi yoksa aşırı hurda mı üreteceğini belirleyebilir.

Külçeyi çekirdekleme ve dilimlemeden önce incelemek, üreticilerin kusurlu bölgeleri işlemelerini önlemelerine, doğru kesme yönünü seçmelerine ve kullanılabilir gofretlerin gerçek sayısını tahmin etmelerine yardımcı olur.

Bu makale, temel safir külçe inceleme öğelerini, yaygın inceleme yöntemlerini ve külçe kalitesi ile nihai gofret verimi arasındaki ilişkiyi açıklamaktadır.

Gofret İşleminden Önce Neden Safir İncelenir?

Sentetik safir, tek kristalli alüminyum oksittir, Al₂O₃. Yüksek sertlik, kimyasal direnç, termal stabilite ve optik iletimi birleştirerek şunlar için uygun hale getirir:

• LED epitaksi alt tabakaları;
• Yarı iletken işleme;
• Optik pencereler;
• Saat bileşenleri;
• Lazer sistemleri;
• Sensör koruması;
• SOS ve RF uygulamaları;
• Yüksek sıcaklık gözlem bileşenleri.

Büyük bir safir kristali büyütmek, tüm külçenin kullanılabilir gofretlere dönüştürülebileceğini garanti etmez. Farklı bölgeler farklı düzeylerde gerilim, baloncuklar, kapanımlar, dislokasyonlar veya yönelim sapması içerebilir.

Büyük safir külçeleri üzerine yapılan araştırmalar, baloncukların, kapanımların ve gerilim çift kırılmasının kristal boyunca düzgün bir şekilde dağılmak yerine çevresel bölgelere yakın konsantre olabileceğini bulmuştur. Bu, tek bir geçiş/başarısız sonucu yerine uzamsal incelemeyi ve kusur haritalamayı daha kullanışlı hale getirir. Büyük safir külçe büyümesi ve kusur dağılımı üzerine çalışma

İşlem öncesi inceleme, üreticilerin şunları yapmasına olanak tanır:

• Kristalografik yönü onaylayın;
• En iyi çekirdekleme konumunu seçin;
• Kusurlu kenar bölgelerini hariç tutun;
• Mekanik kesimden önce çatlakları tespit edin;
• Baloncuk ve kapanım kümelerini tanımlayın;
• Artık gerilimi değerlendirin;
• Kullanılabilir külçe hacmini tahmin edin;
• Dilimleme ve parlatma verimini iyileştirin;
• Farklı külçe bölgelerini farklı ürün sınıflarıyla eşleştirin.

Safir Külçeden Bitmiş Gofrete

Basitleştirilmiş bir safir gofret üretim akışı şunları içerir:

1. Safir kristal büyümesi;
2. Külçe soğutma ve tavlama;
3. Dış yüzey temizliği;
4. Görsel ve optik inceleme;
5. Kristal yönelimi ölçümü;
6. Kusur ve gerilim haritalama;
7. Çekirdekleme veya çap taşlama;
8. Uç nokta ve yönelim işaretleme;
9. Dilimleme;
10. Kenar taşlama;
11. Zımparalama;
12. Gerektiğinde ısıl işlem;
13. Parlatma ve CMP;
14. Nihai gofret incelemesi.

Külçe incelemesi sırasında verilen kararlar, sonraki hemen hemen her aşamayı etkiler. Çekirdek ekseni yanlışsa, çekirdekten kesilen tüm gofretler kabul edilemez bir yönelim hatası içerebilir. İç bir çatlak gözden kaçırılırsa, dilimleme sırasında yayılabilir ve birden fazla gofret yok edebilir.

Kristal Yönelimini Onaylama

Kristal yönelimi, çekirdekleme veya dilimlemeden önce onaylanması gereken ilk parametrelerden biridir.

Safir, üçgen kristal yapıya sahiptir ve anizotropiktir. Mekanik, optik ve işleme davranışı kristalografik yöne göre değişir. Kesme düzlemi şunları etkiler:

• Epitaksi film büyümesi;
• Yüzey atomik yapısı;
• Taşlama ve parlatma oranı;
• Yarma ve kırılma davranışı;
• Optik çift kırılma;
• Termal genleşme;
• Gofret gücü;
• Nihai cihaz performansı.

Yaygın Safir Gofret Yönelimleri

C-düzlemi safir, GaN tabanlı LED ve yarı iletken epitaksisi için yaygın olarak kullanılır. R-düzlemi, safir üzerinde silikon yapıları için gerekebilirken, A-düzlemi ve M-düzlemi polar olmayan kristal yüzeylerden yararlanan uygulamalarda kullanılır.

Yönelim İnceleme Yöntemleri

Kristal yönelimi genellikle X-ışını tabanlı teknikler kullanılarak ölçülür.

Yaygın yöntemler şunları içerir:

• X-ışını kırınımı;
• Laue geri yansıma;
• X-ışını gonyometrisi;
• Birden fazla külçe konumunda yönelim haritalama.

Tek bir yönelim ölçümü büyük bir külçe için yeterli olmayabilir. Tohum ucu, orta ve kuyruk ucundaki ölçümler, yönelim sapmasını veya düşük açılı sınırlar tarafından etkilenen bölgeleri belirlemeye yardımcı olabilir.

Yönelim Toleransı

Kabul edilebilir yönelim toleransı nihai uygulamaya bağlıdır. Bir epitaksi alt tabakası, genel bir optik bileşenden çok daha sıkı bir kontrol gerektirebilir.

İnceleme raporu şunları ayırt etmelidir:

• Nominal kristal düzlemi;
• Gerçek ölçülen düzlem;
• Kesme açısı;
• Kesme yönü;
• Ölçüm belirsizliği;
• Külçe boyunca yönelim varyasyonu.

Kesme açısı ve kesme yönü, belirsiz bir değere birleştirilmemelidir. Aynı kesme büyüklüğüne sahip iki gofret, eğim yönü farklıysa farklı davranabilir.

Safir Külçelerdeki Baloncuk Kusurları

Baloncuklar, safir kristal büyümesi sırasında oluşabilen iç boşluk benzeri kusurlardır. Hapsedilmiş gaz içerebilirler veya kristal içinde şeffaf, yansıtıcı veya ışık saçan noktalar olarak görünebilirler.

Safir üretimi üzerine yapılan çalışmalar, baloncuk kapanımlarını, dislokasyonları ve düşük açılı tane sınırlarını önemli toplu kristal kusurları olarak tanımlamaktadır. Oluşumları, eriyik koşulları ve eriyik-kristal arayüzünün şekli ve kararlılığı ile yakından ilgilidir. Safir üretiminde eriyik-kristal arayüzü üzerine inceleme

Baloncuklar Neden Oluşur?

Baloncuk oluşumu şunlardan etkilenebilir:

• Eriyikte hapsolmuş gaz;
• Hammadde kirliliği;
• Fırın atmosferi;
• Kristal büyüme hızı;
• Sıcaklık dalgalanmaları;
• Eriyik konveksiyonu;
• Arayüz şekli;
• Kruze durumu;
• Katılaşma sırasında yerel kararsızlık.

Kesin mekanizma, kristal büyüme yöntemine ve fırın koşullarına bağlıdır.

Baloncuklar Neden Önemlidir?

Bir baloncuk hem optik hem de yarı iletken gofretleri etkileyebilir.

Olası sonuçlar şunları içerir:

• Işık saçılması;
• Azalmış optik iletim;
• Yerel gerilim konsantrasyonu;
• Dilimleme sırasında çatlama;
• Taşlama veya parlatma sonrası yüzey çukurları;
• Otomatik optik inceleme sırasında reddedilme;
• Azalmış net açıklık;
• Baloncuk gofret yüzeyini keserse epitaksi kusurları.

Derinlemesine gömülü bir baloncuk külçede zararsız görünebilir ancak külçe dilimlendikten sonra yüzeyi açılan bir çukur haline gelebilir.

Baloncuk İnceleme Yöntemleri

Külçe boyutuna ve optik koşullara bağlı olarak, baloncuk incelemesi şunları kullanabilir:

• Aydınlık alan aydınlatması;
• Karanlık alan aydınlatması;
• Odaklanmış geçirgen ışık;
• Lazer saçılması;
• Yan aydınlatma;
• Optik mikroskopi;
• Otomatik görüntüleme ve kusur haritalama.

Kusurlar konuma, boyuta ve yoğunluğa göre kaydedilmelidir. "Görünür baloncuk yok" gibi basit bir ifade, aydınlatma koşulları ve algılama eşiği tanımlanmadıkça denetlenmesi zordur.

Kapanımlar ve Yabancı Madde

Kapanımlar, katı yabancı fazlar veya çevredeki safir kristalinden farklı bileşime sahip bölgelerdir.

Potansiyel kaynaklar şunları içerir:

• Hammadde kirliliği;
• Kruze kirliliği;
• Refrakter parçacıklar;
• Erimemiş alümina;
• Fırın bileşeni bozunması;
• Yerel kimyasal ayrışma.

Kapanımlar, koyu noktalar, yansıtıcı parçacıklar, bulutlu bölgeler veya saçılma merkezleri olarak görünebilir.

Safir sert ama kırılgandır, bu nedenle küçük kapanımlar bile kesme ve parlatma sırasında arıza başlangıcı olabilir. Termal genleşme veya mekanik özelliklerdeki yerel farklılıklar, kapanımın etrafında gerilim oluşturur.

Optik safir için kapanımlar iletimi ve net açıklık kalitesini azaltır. Yarı iletken alt tabakalar için yüzey kusurları, kirlilik veya yerel epitaksi anormallikleri üretebilirler.

Çatlaklar ve Yüzey Altı Hasarı

Safir külçeleri, büyüme, soğutma, tavlama, nakliye veya ön işleme sırasında çatlaklar geliştirebilir.

Yaygın Çatlak Türleri

• Yüzey çatlakları;
• Radyal çatlaklar;
• Eksenel çatlaklar;
• Kenar çatlakları;
• İç çatlaklar;
• Termal şok çatlakları;
• Taşlama kaynaklı yüzey altı çatlakları.

Bazı çatlaklar kolayca görünürken, diğerleri yalnızca yönlü aydınlatma veya tahribatsız muayene altında tespit edilebilir.

Küçük Çatlaklar Neden Tehlikelidir?

Külçe kenarına yakın küçük bir çatlak şunlar sırasında yayılabilir:

• Çekirdekleme;
• Çap taşlama;
• Tel dilimleme;
• Ultrasonik temizleme;
• Zımparalama;
• Termal işlem.

Bir çatlak planlanan çekirdek bölgesine ulaşırsa, çevredeki hacim hariç tutulmalı veya daha az talepkar bir ürüne atanmalıdır.

Bir çatlağı önce haritalamadan kesmek, kesme telini hasara uğratabilir, gofret kırılmasına neden olabilir ve işleme ekipmanını parçacıklarla kirletebilir.

Artık Gerilim ve Gerilim Çift Kırılması

Artık gerilim, başka bir kritik külçe kalitesi parametresidir. Farklı kristal bölgeleri farklı termal koşullar altında soğuduğunda veya katılaştığında gelişir.

Gerilim şunlardan kaynaklanabilir:

• Büyük termal gradyanlar;
• Düzensiz soğutma;
• Düzensiz eriyik-kristal arayüzleri;
• Kristal çapı değişiklikleri;
• Büyüme hızı kararsızlığı;
• Tohum kısıtlamaları;
• Kusurlar ve kapanımlar;
• Yetersiz tavlama.

Artık Gerilimin Etkileri

Artık gerilim şunlara neden olabilir:

• Çekirdekleme veya dilimleme sırasında çatlama;
• Gofret bükülmesi ve çarpılması;
• Zımparalama sonrası kalınlık düzensizliği;
• Düzensiz parlatma;
• Kenar yontulması;
• Yerel optik çift kırılma;
• Isıtma sırasında boyutsal kararsızlık;
• Azalmış mekanik mukavemet.

Nihai gofretleme işlemi ek gerilim ve bükülme getirebilir. Araştırmalar, erken safir gofret işlemesi sırasında düzensiz aşındırmanın mekanik olarak oluşan gofret bükülmesini etkileyebileceğini göstermiştir. Bu nedenle, külçe gerilimi ve işlem kaynaklı gerilim ayrı ancak etkileşimli faktörler olarak ele alınmalıdır. Safir gofret işlemesi sırasında bükülme oluşumu üzerine çalışma

Kutuplu Işık İncelemesi

Safir optik olarak anizotropiktir, bu nedenle gerilim değerlendirmesi, seçilen kristalografik yön için uygun bir inceleme yapılandırması gerektirir.

Bir polariskop veya çapraz polarizör kurulumu, gerilimle ilgili optik desenleri ortaya çıkarabilir. Anormal renk, saçak konsantrasyonu veya bozuk desenlere sahip alanlar, artık gerilim gradyanlarını gösterebilir.

İnceleme sistemi şunları tanımlamalıdır:

• Işık dalga boyu;
• Polarizör yönelimi;
• Külçe yönelimi;
• Optik yol uzunluğu;
• Görüntüleme geometrisi;
• Kabul standardı.

Niteliksel kutuplu ışık incelemesi tarama için faydalıdır, ancak nicel gerilim değerlendirmesi kalibre edilmiş fotoelastik ölçümler, Raman spektroskopisi veya diğer özel teknikleri gerektirebilir.

Düşük Açılı Tane Sınırları

Tek kristal olması amaçlanan bir külçe, küçük bir kristalografik yanlış hizalanmaya sahip komşu bölgeler içerebilir. Bu arayüzlere genellikle düşük açılı tane sınırları denir.

Bunlar, sıradan görsel inceleme ile tespit edilmesi zor olabilir ancak şunları etkileyebilir:

• Yönelim düzgünlüğü;
• Mekanik mukavemet;
• Gofret düzlüğü;
• Parlatma davranışı;
• Epitaksi düzgünlüğü;
• Cihaz verimi.

X-ışını topoğrafyası, yönelim haritalama veya aşındırma yöntemleri bu sınırları tespit etmeye yardımcı olabilir.

Düşük açılı bir sınır planlanan çekirdekten geçerse, o bölgeden kesilen gofretler tek bir yüzeyde farklı kristal yönleri gösterebilir. Bu tür gofretler, optik olarak berrak görünseler bile zorlu epitaksi uygulamaları için uygun olmayabilir.

Dislokasyonlar ve Kristal Kalitesi

Dislokasyonlar, kristal kafesindeki çizgi kusurlarıdır. Yoğunlukları ve dağılımları, kristal büyüme koşullarına, termal gerilime ve büyüme yöntemine bağlıdır.

Dislokasyonlar şunları etkileyebilir:

• Mekanik mukavemet;
• Aşındırma çukuru yoğunluğu;
• Optik kalite;
• Yüzey hazırlığı;
• Epitaksi film davranışı.

İnceleme yöntemleri şunları içerebilir:

• X-ışını topoğrafyası;
• Seçici kimyasal aşındırma;
• Aşındırma çukuru yoğunluğu ölçümü;
• Optik mikroskopi;
• Senkrotron veya laboratuvar X-ışını görüntüleme.

Her uygulama aynı dislokasyon yoğunluğu sınırını gerektirmez. Optik pencereler, LED alt tabakaları ve araştırma gofretleri farklı kabul kriterlerine sahip olabilir.

Külçenin Boyutsal İncelemesi

Verim hesaplanmadan önce, külçenin fiziksel boyutları doğru bir şekilde ölçülmelidir.

Önemli boyutlar şunları içerir:

• Maksimum ve minimum çap;
• Toplam uzunluk;
• Düz kullanılabilir uzunluk;
• Koniklik;
• Yuvarlaklık;
• Yüzey düzensizlikleri;
• Tohum ucu hariç tutma;
• Kuyruk ucu hariç tutma;
• Kenar kusuru derinliği.

Hedef çekirdek çapını karşılamak için önemli bir dış bölgenin çıkarılması gerekiyorsa, büyük nominal külçe boyutları yanıltıcı olabilir.

Külçe uzunluğu boyunca bir çap haritası, tam boyutlu silindirik bir çekirdeğin nerede çıkarılabileceğini belirlemeye yardımcı olur.

Külçeyi Çekirdekten Önce Haritalama

Pratik bir külçe haritası, boyutsal, kristalografik ve kusur bilgilerini birleştirir.

Her kusur şunlar kullanılarak kaydedilebilir:

• Eksenel konum;
• Radyal konum;
• Çevresel konum;
• Kusur türü;
• Kusur boyutu;
• İnceleme yöntemi;
• Güven seviyesi;
• Gerekli hariç tutma payı.

Bu harita, mühendislerin kullanılabilir malzemeyi en üst düzeye çıkaracak çekirdek konumunu ve kesme yönünü seçmelerini sağlar.

Bazı durumlarda, en yüksek değerli sonuç tek bir büyük çekirdek değildir. Yerelleşmiş kusurları olan bir külçe, birkaç küçük çekirdek veya optik bileşen halinde bölündüğünde daha fazla değer üretebilir.

Teorik Gofret Verimini Hesaplama

Basit bir teorik gofret sayısı şunlar kullanılarak tahmin edilebilir:

Nteorik=LkullanılabilirTslic+KkesmeN_\text{teorik}= \frac{L_\text{kullanılabilir}} {T_\text{dilim}+K_\text{kesme}}

burada:

• NteorikN_\text{teorik} teorik dilim sayısıdır;
• LkullanılabilirL_\text{kullanılabilir} kullanılabilir çekirdek uzunluğudur;
• TslicT_\text{dilim} ilk dilim kalınlığıdır;
• KkesmeK_\text{kesme} her kesimde kaybedilen malzemedir.

İlk dilim kalınlığı şunlar için yeterli bir pay içermelidir:

• Zımparalama;
• Taşlama;
• Parlatma;
• CMP;
• Nihai kalınlık toleransı;
• Bükülme ve çarpılma düzeltmesi.

Bu formül yalnızca bir planlama tahmini sağlar. Kırılma, kenar hariç tutma, yönelim reddetme veya yüzey kalitesi kayıplarını içermez.

Kullanılabilir Verimi Tahmin Etme

Daha gerçekçi bir tahmin şunlar olarak ifade edilebilir:

Ykullanılabilir=Yçekirdek×Ydilim×Yzımpara×Yparlatma×Ynihai incelemeY_\text{kullanılabilir}= Y_\text{çekirdek} \times Y_\text{dilim} \times Y_\text{zımpara} \times Y_\text{parlatma} \times Y_\text{nihai inceleme}

Her işlem verimi, külçe sınıfı, gofret çapı, yönelimi ve gerekli spesifikasyon için gerçek üretim verilerine dayanmalıdır.

Verim Kaybının Ana Nedenleri

Kullanılabilir verim, yalnızca üretilen dilim sayısı olarak değil, nihai spesifikasyonu karşılayan gofret sayısı olarak ölçülmelidir.

Verim Planlama Örneği

Bir safir çekirdeğin tohum ucu, kuyruk ucu ve kusurlu bölgeler hariç tutulduktan sonra ölçülen kullanılabilir uzunluğunun 120 mm olduğunu varsayalım.

Planlanan dilimlenmiş kalınlık 0,75 mm ve etkili kesme kaybı 0,20 mm ise, teorik çıktı şudur:

Nteorik=1200.75+0.20≈126N_\text{teorik}= \frac{120}{0.75+0.20} \approx126

Birleşik aşağı akış verimi %85 ise, kabul edilebilir gofretlerin tahmini sayısı yaklaşık olarak şu olur:

126×0.85≈107126\times0.85\approx107

Bu yalnızca açıklayıcı bir hesaplamadır. Gerçek kesme, işlem payı ve aşağı akış verimi, kesme ekipmanına, gofret çapına, kristal yönelimine ve nihai spesifikasyona bağlıdır.

İnceleme Yöntemleri ve Rolleri

Tek bir inceleme tekniği her kusuru tespit etmez. Güvenilir bir inceleme planı tamamlayıcı yöntemleri birleştirir.

Önerilen Külçe İnceleme İş Akışı

Adım 1: İzlenebilirliği Gözden Geçirin

Onaylayın:

• Büyütme partisi;
• Büyütme yöntemi;
• Hammadde partisi;
• Fırın çalışması;
• Tavlama geçmişi;
• Tohum yönelimi;
• Önceki inceleme kayıtları.

Adım 2: Külçeyi Temizleyin

İç bir kapanım veya çatlak olarak yanlış anlaşılabilecek yüzey kirliliğini giderin.

Adım 3: Dış Geometriyi Ölçün

Uzunluk, çap, koniklik ve görünür yüzey kusurlarını kaydedin.

Adım 4: Yönelimi Onaylayın

Kristalografik yönü birden fazla konumda ölçün ve amaçlanan kesme düzlemini tanımlayın.

Adım 5: İç Kusurları İnceleyin

Baloncukları ve kapanımları haritalamak için geçirgen ışık, karanlık alan görüntüleme veya lazer saçılması kullanın.

Adım 6: Gerilimi Değerlendirin

Külçeyi kontrollü kutuplu ışık koşulları altında inceleyin ve yüksek gerilimli bölgeleri tanımlayın.

Adım 7: Kristal Sürekliliğini Kontrol Edin

Tane sınırlarının, yönelim düzgünlüğünün veya dislokasyon yapısının doğrulanması gerektiğinde X-ışını yöntemlerini kullanın.

Adım 8: Kesme Haritasını Oluşturun

Çekirdek konumu, hariç tutulan bölgeler, yönelim yönü ve kesme sırasını işaretleyin.

Adım 9: Verimi Tahmin Edin

Teorik dilimleri hesaplayın, ardından geçmiş işlem verim faktörlerini uygulayın.

Safir Külçe İnceleme Raporunda Neler Bulunmalı

Eksiksiz bir rapor şunları içermelidir:

• Külçe kimlik numarası;
• Büyütme yöntemi;
• Nominal kristal yönelimi;
• Ölçülen yönelim ve tolerans;
• Külçe boyutları;
• Baloncuk ve kapanım haritası;
• Çatlak haritası;
• Gerilim inceleme görüntüleri;
• Tane sınırı bulguları;
• Çekirdek düzeni;
• Tohum ve kuyruk ucu hariç tutmaları;
• Tahmini kullanılabilir uzunluk;
• Planlanan gofret çapı;
• Tahmini teorik dilim sayısı;
• Tahmini nihai kullanılabilir verim;
• İnceleme ekipmanı ve algılama sınırları;
• Denetçi ve inceleme tarihi.