中國粉體網(wǎng)訊  藍(lán)寶石晶體是用純度＞99.995%的高純氧化鋁微粉生長而成的，是高純氧化鋁最大的需求領(lǐng)域，具有強(qiáng)度高、硬度大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可在高溫、腐蝕、沖擊等惡劣環(huán)境中工作，被廣泛運(yùn)用于國防與民用技術(shù)、微電子技術(shù)等領(lǐng)域。

從高純氧化鋁粉體到藍(lán)寶石晶體          

藍(lán)寶石的關(guān)鍵應(yīng)用         

在國防領(lǐng)域藍(lán)寶石晶體最主要應(yīng)用于導(dǎo)彈紅外窗口，現(xiàn)代戰(zhàn)爭對(duì)導(dǎo)彈的要求精度很高，導(dǎo)彈的紅外光學(xué)窗口是實(shí)現(xiàn)這一要求的關(guān)鍵部件。考慮到導(dǎo)彈處于高速飛行環(huán)境時(shí)會(huì)遭受強(qiáng)烈的空氣動(dòng)力熱量以及沖擊力，再加上作戰(zhàn)環(huán)境惡劣，整流罩必須具有高強(qiáng)度和抗擊打能力以及一定的抗風(fēng)沙、雨水等惡劣天氣侵蝕的性能。藍(lán)寶石晶體具有透光性好、機(jī)械性能優(yōu)異、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，成為導(dǎo)彈紅外窗口的較為理想的材料。

圖片來源：晶盛機(jī)電

LED襯底是藍(lán)寶石的最大應(yīng)用，LED應(yīng)用于照明是繼日光燈、節(jié)能燈后的第三次革命。LED的原理是將電能轉(zhuǎn)換成光能，當(dāng)電流經(jīng)過半導(dǎo)體時(shí)，空穴與電子相結(jié)合，多余的能量就以光能釋放出來，最后產(chǎn)生發(fā)光照明的效果。LED芯片技術(shù)是以外延片為基礎(chǔ)的，通過一層一層的氣態(tài)材料沉淀到基底上面，基底材料主要包括硅襯底、碳化硅襯底和藍(lán)寶石襯底三種，其中，藍(lán)寶石襯底相比于其它兩種襯底方式上具有很明顯的優(yōu)勢，藍(lán)寶石襯底的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在器件穩(wěn)定、制備技術(shù)成熟、不吸收可見光、透光率較好、價(jià)格適中等方面，有資料顯示全球80%的LED企業(yè)釆用藍(lán)寶石作為襯底材料。   

除了應(yīng)用于上述領(lǐng)域之外，藍(lán)寶石晶體還可用于手機(jī)屏幕、醫(yī)療設(shè)備、珠寶裝飾等領(lǐng)域，此外還可用作透鏡、棱鏡等各種科學(xué)探測儀器的窗口材料。

市場規(guī)模以及前景

基于政策支持和LED芯片應(yīng)用場景增長，藍(lán)寶石襯底需求量以及市場規(guī)模將面臨雙位數(shù)的增長。預(yù)計(jì)在2025年，藍(lán)寶石襯底的出貨量可達(dá)1.03億片（以4英寸襯底作為折算），相較于2021年增長63%，2021-2025年復(fù)合增長率預(yù)計(jì)達(dá)13%；在2025年，藍(lán)寶石襯底市場規(guī)模可達(dá)80億，相較于2021年增長108%，2021-2025年市場規(guī)模復(fù)合增長率預(yù)計(jì)達(dá)20%。藍(lán)寶石晶體作為襯底的“前身”，市場規(guī)模及增長趨勢可見一斑。

藍(lán)寶石襯底市場規(guī)模，資料來源：GGIl，案頭研究

藍(lán)寶石晶體的制備

自1891年法國化學(xué)家維爾納葉（Verneuil，A）發(fā)明火焰熔融法首次制造出人工寶石晶體，迄今為止人工生長藍(lán)寶石晶體的研究已經(jīng)有百余年歷史了。在此期間，由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)對(duì)于藍(lán)寶石晶體質(zhì)量、提高晶體成品的利用率等以降低生產(chǎn)成本等要求，藍(lán)寶石的生長技術(shù)得到了廣泛的研究，出現(xiàn)了許多新方法和技術(shù)來生長藍(lán)寶石晶體，如提拉法、泡生法、導(dǎo)模法、熱交換法等。

提拉法生長藍(lán)寶石晶體

提拉法是1918年由Czochralski，J首創(chuàng)的，故又稱為“恰克拉斯基”技術(shù)，簡稱Cz提拉法。1964年由Poladino，AE和Rotter，BD首先將此方法應(yīng)用于藍(lán)寶石晶體的生長，迄今為止已生產(chǎn)了大量優(yōu)質(zhì)的藍(lán)寶石晶體，其原理為：先將原料加熱至熔點(diǎn)后形成熔湯，再利用一單晶晶種（即籽晶）接觸熔湯表面，在籽晶與熔湯的固液界面上因溫度差異而形成過冷，于是熔湯開始在籽晶表面凝固并開始生長出與籽晶晶體結(jié)構(gòu)相同的單晶。同時(shí)緩慢的向上提拉籽晶，并以一定速度旋轉(zhuǎn)。隨著籽晶的提拉，熔湯逐漸凝固于固液界面，進(jìn)而形成單晶晶體。這是一種利用籽晶從熔湯中提拉生長出晶體的方法，可從熔湯中制備出高質(zhì)量單晶，是常用的晶體生長方法之一。

采用提拉法生長晶體，其優(yōu)點(diǎn)在于：（1）生長速度較快，能在短期內(nèi)生長出高質(zhì)量的單晶；（2）晶體在熔湯表面處生長，不與坩堝壁相接觸，可有效減少晶體的內(nèi)應(yīng)力，提高晶體質(zhì)量。但此方法生長晶體的一個(gè)較大缺點(diǎn)：可生長的晶體直徑較小，不利于大尺寸晶體的生長。

泡生法生長藍(lán)寶石晶體

泡生法，在1926年由Kyropouls發(fā)明，簡稱為KY法，其原理與提拉法相似，即將籽晶（seed）接觸熔湯表面，然后緩慢向上拉升，但在籽晶往上拉晶一段時(shí)間后以形成晶頸，待熔湯與籽晶界面的凝固速率穩(wěn)定后，籽晶便不再拉升，也不作旋轉(zhuǎn)，僅以控制冷卻速率的方式來使單晶從上方逐漸向下凝固，最后形成一個(gè)單晶晶體。   

采用泡生法工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品，具有高品質(zhì)、低缺陷密度、大尺寸、較佳的成本效益等特點(diǎn)。

導(dǎo)模法生長藍(lán)寶石晶體

導(dǎo)模法作為一種異型晶體生長技術(shù)，其運(yùn)用原理為：通過將高熔點(diǎn)的熔體放入模具當(dāng)中，熔體受模具毛細(xì)作用影響被吸到模具上，實(shí)現(xiàn)與籽晶的接觸，在籽晶提拉以及不斷凝固狀態(tài)下可形成單晶，同時(shí)，模具邊緣尺寸與形狀對(duì)晶體尺寸有著一定限制。因此，這種方法在應(yīng)用的過程中存在一定局限性，僅適用于管形、U形等異型藍(lán)寶石晶體。

熱交換法生長藍(lán)寶石晶體

熱交換法制備大尺寸藍(lán)寶石晶體是FredSchmid和Dennis在1967年發(fā)明的。熱交換法系統(tǒng)保溫效果好，能獨(dú)立控制熔體和晶體的溫度梯度，可控性好，較易生長出位錯(cuò)低、尺寸大的藍(lán)寶石晶體。

采用熱交換法生長藍(lán)寶石晶體，其優(yōu)點(diǎn)在于晶體生長時(shí)，坩堝、晶體、加熱器都不動(dòng)，消除了如泡生法、提拉法等的拉伸動(dòng)作，減少人為干擾因素，從而避免機(jī)械運(yùn)動(dòng)而造成的晶體缺陷；同時(shí)可控制冷卻速率，減少晶體熱應(yīng)力及由此產(chǎn)生的晶體開裂和位錯(cuò)缺陷，能夠生長較大尺寸的晶體，較易操作，具有較好的發(fā)展前景。

參考來源：   

[1]朱振峰.藍(lán)寶石晶體的金剛石線鋸切片加工表面形貌及裂紋損傷的研究

[2]常慧等.大尺寸藍(lán)寶石晶體生長技術(shù)的應(yīng)用研究

[3]張雪平.藍(lán)寶石晶體生長與LED應(yīng)用研究

[4]劉杰.藍(lán)寶石晶體的制備方法及特點(diǎn)概述

[5]卓韜咨詢

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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