CAC2025 广州先(xian)进陶(tao)瓷论(lun)坛(tan)暨(ji)展览会
2025年5月26-28日 美丽豪酒店（广州番禺店）
蓝宝石(Sapphire)是一种的单(dan)晶，其在机械性(xing)能、热学性(xing)质、光学以(yi)及化学性(xing)质等方面都(dou)具有优越(yue)特(te)性(xing)，因(yin)此成(cheng)为应用(yong)广泛的人工合成(cheng)单(dan)晶材料。
目前蓝宝(bao)石(shi)较为广(guang)泛的应用(yong)如(ru)下(xia)：
(1)由于蓝宝石具有较高的硬度且可以在温度范围从超低温至1500℃高温之间的不同环境中保持高强度、耐磨耗以及高度的化学稳定性，因此常作为精密机械的轴承材料；
(2)由于蓝宝石的熔点在2000℃以上，并具有稳定的化学性质与优良的透光度，使得蓝宝石所制作的镜片和光学元件可以应用于高温高真空与其他复杂的环境中，例如高功率镭射的透镜材料、导弹弹头光罩、航天材料以及应用于辐射环境中的光学元件等；
(3)近年(nian)来材料与(yu)外延(yan)制程(cheng)技术的提升，目(mu)前制作蓝(lan)(lan)白(bai)(bai)光(guang)发光(guang)二极(ji)管(guan)（Lighting Emitting Diode，LED）所(suo)使用的基底(di)材料也以蓝(lan)(lan)宝石为主，由(you)于蓝(lan)(lan)白(bai)(bai)光(guang)LED具有寿命长、消耗功(gong)率低(di)、发光(guang)效率高(gao)等(deng)优(you)势，已(yi)经成为新一(yi)代的照明光(guang)源，因而制作蓝(lan)(lan)白(bai)(bai)光(guang)LED基底(di)的蓝(lan)(lan)宝石在产业界需求量也大幅(fu)提升；
(4)在微电(dian)子领域，可以(yi)应用(yong)于GaN的外延片、SOS微电(dian)子电(dian)路、其它材料的外延片以(yi)及光学(xue)元件等等。
蓝宝石衬底
随着半导体、航空航天等领域的飞速发展，现在对蓝宝石晶体的尺寸和质量都有了新的更高的要求，美国的LIGO计划中的分光透镜所使用的蓝宝石晶体材料的光透过率>80%。因此，蓝宝石晶体正朝着尺寸越来越大，光学均匀性和工作波段透过率越来越好的方向发展。
另(ling)外，蓝宝(bao)石品体尺寸(cun)(cun)越大(da)(da)，其材料利用率越大(da)(da)，单位成本也越低。因此生(sheng)长高品质、低成本、大(da)(da)尺寸(cun)(cun)蓝宝(bao)石晶体是当前迫切发展(zhan)的趋(qu)势(shi)。
蓝(lan)宝石晶体制(zhi)备(bei)技术
随着科学技术的不断发展，蓝宝石晶体主要从晶体缺陷、晶体尺寸和晶体形状等方面去满足特定的规格要求。与此同时，如何提高晶体成品率并降低生产成本成为蓝宝石晶体生长技术的研究方向。
目前常用的生长方法主要有泡生法、热交换法、提拉法、温度梯度法、冷心放肩微量提拉法等，也有很多针对上述方法的改进方法。例如，冷心放肩微量提拉法就是在提拉法和泡生法的基础上，吸收两种方法的优点并加以利用。
蓝宝石晶体的生长技(ji)术发(fa)展
1. 提拉法（CZ）
提拉法是先将氧化铝原料加热至熔点使之熔化形成熔体，再利用一单晶棒作为晶种(Seed)降下高度使下面端面逐渐接触到熔体表面，在晶种与熔体的固液界面上会有一定的温度差。由于温度梯度的作用，熔体开始在晶种表面凝固并生长和晶种相同晶体结构的蓝宝石单晶。晶种同时以极为缓慢的速度向上拉升，并伴随着一定的旋转，熔体逐渐结晶于晶种与熔体之间的固液界面上，最后生长成蓝宝石单晶晶棒。
在目前的半导体产业中，CZ法是最常用到的晶体生长方法，由于它能生长出较大直径的晶体，所以大约85%的半导体产业都用CZ法来生长单晶棒，但是利用CZ法来生长单晶棒容易使晶棒有杂质浓度分布不均匀现象，所以此方法所生长的晶体只适合运用在低功率的集成电路元件中。
提拉法示(shi)意图(tu)
2. 温度梯度法（TGT）
温度梯度法(Temperature gradient technique，TGT)是实现用定向籽晶来诱导蓝宝石单晶生长，熔体沿着籽晶晶体结构的原子排列结晶长出蓝宝石晶体。温度梯度法长晶装置包括隔热板、热元件、坩埚、石墨电极以及冷却水管，籽晶槽位于坩埚底部，温场由石墨发热体和冷却装置共同提供。
蓝宝(bao)石籽(zi)晶
3. 热(re)交(jiao)换法（HEM）
热交换法（HEM）的原理是利用热交换器来带走热量，使得晶体生长区内形成一上热下冷的纵向温度梯度，同时借由控制交换器内的气体流量大小以及改变加热功率的高低来控制坩埚内的温度梯度，借此达成坩埚内熔汤由下慢慢向上凝固成晶体的目的。
由于(yu)此方(fang)法是在密闭(bi)的(de)坩埚内进行单晶(jing)(jing)生长，这样生长的(de)晶(jing)(jing)体较不容易受(shou)到炉体的(de)污染，而(er)且(qie)(qie)晶(jing)(jing)体由下往上凝固，使熔汤内的(de)杂质因形成(cheng)熔渣而(er)漂浮在上方(fang)，比较不会溶入晶(jing)(jing)体内部，只要在将生长所得(de)(de)的(de)晶(jing)(jing)体上方(fang)切除即可(ke)清除，可(ke)得(de)(de)较为(wei)纯净的(de)晶(jing)(jing)体，并且(qie)(qie)可(ke)得(de)(de)较大(da)(da)的(de)蓝宝石(shi)单晶(jing)(jing)，最大(da)(da)可(ke)达80kg。
热交换法单(dan)晶(jing)炉示意图
4. 定边模(mo)喂法(EFG)
定边模喂法(fa)也(ye)称导(dao)模法(fa)(Edge-defined Film-fed Growth，EFG)，将(jiang)氧化铝原料(liao)填料(liao)于(yu)铱(yi)坩埚中，通过射频(pin)感应线圈加热原料(liao)使之(zhi)熔化成(cheng)熔体，并(bing)(bing)在坩埚中放(fang)置(zhi)一个铱(yi)材料(liao)的(de)(de)模具，通过毛(mao)细作用(yong)让熔体摊平于(yu)铱(yi)制模具的(de)(de)上方表面，形成(cheng)一薄膜，放(fang)下(xia)晶种使之(zhi)碰(peng)触到薄膜，于(yu)是薄膜在晶种的(de)(de)端面上结(jie)(jie)晶成(cheng)与晶种相同结(jie)(jie)构的(de)(de)单晶。晶种再缓慢往上拉升，逐(zhu)渐生(sheng)长单晶，同时(shi)由坩埚中供应熔汤补充薄膜，由于(yu)此薄膜之(zhi)边缘(yuan)受到铱(yi)模所限(xian)定，并(bing)(bing)扮演持续喂料(liao)以(yi)(yi)供晶体生(sheng)长之(zhi)用(yong)，所以(yi)(yi)称为(wei)限(xian)定边缘(yuan)模喂法(fa)，简称导(dao)模法(fa)。
5. 冷心放肩微量提拉法(SAPMAC)
冷心放肩微量提拉法综合了泡生法和提拉法的优点，并对温场设计加以创新，从而形成一种新的蓝宝石长晶方法。采用SAPMAC法生长蓝宝石单晶，其晶体直径可以生长到比坩埚内径略小10-30mm的尺寸（一般生长30kg级蓝宝石晶体的坩埚内径为20-22cm）。
将籽晶(jing)利用钨线(xian)固(gu)定在(zai)籽晶(jing)杆(gan)，籽晶(jing)杆(gan)与(yu)热(re)(re)交(jiao)(jiao)换器(qi)(qi)相连，并(bing)带动(dong)晶(jing)体(ti)(ti)(ti)的(de)旋转和上下提拉(la)(la)，热(re)(re)交(jiao)(jiao)换器(qi)(qi)、晶(jing)体(ti)(ti)(ti)和熔体(ti)(ti)(ti)之间(jian)会通(tong)过(guo)冷却水进行热(re)(re)量(liang)交(jiao)(jiao)换，并(bing)将热(re)(re)量(liang)带走(zou)。通(tong)过(guo)冷却水系统(tong)可(ke)以为(wei)晶(jing)体(ti)(ti)(ti)生(sheng)长提供(gong)一个稳定、均匀的(de)温场环境(jing)。可(ke)通(tong)过(guo)调节热(re)(re)交(jiao)(jiao)换器(qi)(qi)中(zhong)水的(de)温度(du)(du)、流(liu)量(liang)和加热(re)(re)温度(du)(du)精确(que)控制温场中(zhong)的(de)温度(du)(du)梯度(du)(du)，形成晶(jing)体(ti)(ti)(ti)与(yu)熔体(ti)(ti)(ti)之间(jian)的(de)过(guo)冷，从(cong)而(er)(er)完成晶(jing)体(ti)(ti)(ti)生(sheng)长。值得注意的(de)是，冷心放肩微量(liang)提拉(la)(la)法在(zai)晶(jing)体(ti)(ti)(ti)生(sheng)长自动(dong)化控制方面(mian)不太(tai)理想(xiang)，因而(er)(er)在(zai)晶(jing)体(ti)(ti)(ti)生(sheng)长过(guo)程中(zhong)过(guo)多(duo)的(de)引入人(ren)为(wei)因素(su)，进而(er)(er)影响(xiang)晶(jing)体(ti)(ti)(ti)生(sheng)长质(zhi)量(liang)，加大产生(sheng)晶(jing)体(ti)(ti)(ti)缺(que)陷的(de)几率。
6. 泡生法(fa)（KY)
泡生(sheng)(sheng)法(fa)的原理与(yu)提拉(la)法(fa)类(lei)似，同(tong)样先将(jiang)氧化铝原料加热至熔(rong)(rong)点使之(zhi)熔(rong)(rong)化形成熔(rong)(rong)体(ti)(ti)(ti)，再(zai)用蓝宝石单(dan)晶(jing)晶(jing)种接触到熔(rong)(rong)体(ti)(ti)(ti)表面试探熔(rong)(rong)体(ti)(ti)(ti)温(wen)度(du)(du)是否适合(he)晶(jing)体(ti)(ti)(ti)生(sheng)(sheng)长(zhang)。下晶(jing)种之(zhi)后(hou)(hou)，籽晶(jing)同(tong)样以极(ji)缓(huan)慢(man)的速度(du)(du)向(xiang)上拉(la)升，但在(zai)晶(jing)种往上拉(la)晶(jing)一(yi)段时间后(hou)(hou)，待(dai)熔(rong)(rong)体(ti)(ti)(ti)与(yu)晶(jing)种界面的凝(ning)(ning)固(gu)速率(lv)稳(wen)定后(hou)(hou)，同(tong)时所长(zhang)出(chu)的晶(jing)体(ti)(ti)(ti)逐(zhu)渐(jian)沾黏到坩埚内壁时，晶(jing)种不再(zai)拉(la)升，在(zai)整个过(guo)程中晶(jing)种并不像(xiang)提拉(la)法(fa)进行旋转，仅以控(kong)制冷却(que)速率(lv)方式使单(dan)晶(jing)从上方逐(zhu)渐(jian)往下凝(ning)(ning)固(gu)，最后(hou)(hou)凝(ning)(ning)固(gu)成一(yi)个单(dan)晶(jing)锭。
目前(qian)国内外(wai)多数生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)长(zhang)蓝宝石(shi)厂商主要(yao)也是采用泡生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)法或改良泡生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)法来生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)长(zhang)蓝宝石(shi)单晶(jing)(jing)(jing)(jing)。泡生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)法在(zai)晶(jing)(jing)(jing)(jing)体(ti)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)长(zhang)过程(cheng)中，因为除了(le)晶(jing)(jing)(jing)(jing)颈(jing)需要(yao)加以(yi)拉升以(yi)外(wai)，其余部分只需控制温度（电压）的(de)变化，即可使晶(jing)(jing)(jing)(jing)体(ti)长(zhang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)完成(cheng)，减少了(le)向上拉升和旋转的(de)外(wai)力干扰(rao)，机械(xie)应(ying)力较小，因而所获得的(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)体(ti)品质(zhi)较佳也较易于控制，其产出(chu)晶(jing)(jing)(jing)(jing)体(ti)缺(que)陷密度远低于提拉法生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)长(zhang)的(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)体(ti)，符合产业界(jie)的(de)要(yao)求。
泡生法(fa)装置示意(yi)图
7.改(gai)良泡(pao)生法（IKY)
改良泡生法（Improved Kyropoulos Method，IKY)是基于Menisk现象对泡生法生长蓝宝石晶体的下晶种和拉晶颈技术进行改进，并配以先进的蓝宝石长晶控制系统来生长蓝宝石晶体的方法。与泡生法相比，改良泡生法对泡生法的改进主要在于下晶种和拉晶颈技术的改进以及长晶炉控制系统的创新。改良泡生法生长的蓝宝石晶体良率更高，晶体缺陷更少，整个长晶控制系统更加稳定，能够生长大尺寸高质量的蓝宝石晶体，满足LED产业的蓝宝石衬底要求。在提高蓝宝石晶体成品率的同时，又降低了产品的价格，成为产业界广泛推广的蓝宝石晶体生长技术。
大尺寸(cun)蓝宝石单晶
综上所述，几种蓝宝石生长技术的优缺点(dian)对比如下表(biao)：
总(zong)结
以上(shang)这些蓝宝(bao)石长(zhang)(zhang)晶(jing)(jing)(jing)方(fang)法中，泡生(sheng)法、冷(leng)心放(fang)肩微量(liang)提(ti)拉法和热(re)交(jiao)换(huan)法都(dou)可以生(sheng)长(zhang)(zhang)大尺寸(cun)的(de)(de)蓝宝(bao)石单晶(jing)(jing)(jing)。着(zhe)眼(yan)于(yu)低成本(ben)、高质量(liang)和大尺寸(cun)的(de)(de)发展思(si)路，目前多(duo)采用对泡生(sheng)法进(jin)(jin)行改(gai)进(jin)(jin)，创新蓝宝(bao)石长(zhang)(zhang)晶(jing)(jing)(jing)炉(lu)自(zi)动化(hua)控制(zhi)系统和下晶(jing)(jing)(jing)种技术，从(cong)而在(zai)泡生(sheng)法基础(chu)上(shang)形成一种新的(de)(de)蓝宝(bao)石长(zhang)(zhang)晶(jing)(jing)(jing)方(fang)法，即改(gai)良(liang)泡生(sheng)法。当前，泡生(sheng)法或(huo)者(zhe)基于(yu)泡生(sheng)法的(de)(de)改(gai)进(jin)(jin)方(fang)法生(sheng)长(zhang)(zhang)的(de)(de)蓝宝(bao)石晶(jing)(jing)(jing)体(ti)市场占有率达(da)到80%以上(shang)，一定时(shi)间内都(dou)将是蓝宝(bao)石晶(jing)(jing)(jing)体(ti)生(sheng)长(zhang)(zhang)的(de)(de)主流(liu)方(fang)法。
参考来源：
1. 改(gai)良泡生(sheng)法(fa)生(sheng)长(zhang)大(da)尺(chi)寸(cun)蓝宝石(shi)晶体的研究及应(ying)用，张(zhang)燕飞（北京大(da)学）；
2. 改良泡生法生长720 kg级大尺(chi)寸蓝(lan)宝石晶体(ti)(ti)，康森、鲁雅荣(rong)、石天虎、滕斌(bin)、宽军、李―璐、郝文(wen)娟、段(duan)斌(bin)斌(bin)（1.天通银厦新材料(liao)有限公(gong)(gong)司(si)；2.天通控股(gu)股(gu)份有限公(gong)(gong)司(si)）；
3. 导模法生长超(chao)大尺寸蓝宝(bao)石(shi)板(ban)材(cai)的(de)研(yan)究(jiu)，王东海、徐军、李(li)东振、王庆国、罗平、董(dong)建树、潘燕萍（1.同济大学(xue)(xue)物(wu)理科学(xue)(xue)与工程学(xue)(xue)院；2.南京同溧(li)晶体材(cai)料研(yan)究(jiu)院；3.常州市乐萌压力容(rong)器(qi)有限公司）。
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