中國粉體網訊 藍寶石晶體是用純度＞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域，具有強度高、硬度大、化學性質穩定等優點，可在高溫、腐蝕、沖擊等惡劣環境中工作，被廣泛運用于國防與民用技術、微電子技術等領域。
從高純氧化鋁粉體到藍寶石晶體
藍寶石的關鍵應用
在國防領域藍寶石晶體最主要應用于導彈紅外窗口，現代戰爭對導彈的要求精度很高，導彈的紅外光學窗口是實現這一要求的關鍵部件。考慮到導彈處于高速飛行環境時會遭受強烈的空氣動力熱量以及沖擊力，再加上作戰環境惡劣，整流罩必須具有高強度和抗擊打能力以及一定的抗風沙、雨水等惡劣天氣侵蝕的性能。藍寶石晶體具有透光性好、機械性能優異、化學性質穩定等優點，成為導彈紅外窗口的較為理想的材料。
圖片來源：晶盛機電
LED襯底是藍寶石的最大應用，LED應用于照明是繼日光燈、節能燈后的第三次革命。LED的原理是將電能轉換成光能，當電流經過半導體時，空穴與電子相結合，多余的能量就以光能釋放出來，最后產生發光照明的效果。LED芯片技術是以外延片為基礎的，通過一層一層的氣態材料沉淀到基底上面，基底材料主要包括硅襯底、碳化硅襯底和藍寶石襯底三種，其中，藍寶石襯底相比于其它兩種襯底方式上具有很明顯的優勢，藍寶石襯底的優勢主要表現在器件穩定、制備技術成熟、不吸收可見光、透光率較好、價格適中等方面，有資料顯示全球80%的LED企業釆用藍寶石作為襯底材料。
除了應用于上述領域之外，藍寶石晶體還可用于手機屏幕、醫療設備、珠寶裝飾等領域，此外還可用作透鏡、棱鏡等各種科學探測儀器的窗口材料。
市場規模以及前景
基于政策支持和LED芯片應用場景增長，藍寶石襯底需求量以及市場規模將面臨雙位數的增長。預計在2025年，藍寶石襯底的出貨量可達1.03億片（以4英寸襯底作為折算），相較于2021年增長63%，2021-2025年復合增長率預計達13%；在2025年，藍寶石襯底市場規模可達80億，相較于2021年增長108%，2021-2025年市場規模復合增長率預計達20%。藍寶石晶體作為襯底的“前身”，市場規模及增長趨勢可見一斑。
藍寶石襯底市場規模，資料來源：GGIl，案頭研究
藍寶石晶體的制備
自1891年法國化學家維爾納葉（Verneuil，A）發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寶石晶體的研究已經有百余年歷史了。在此期間，由于科學技術的進步和發展，為了適應工業生產對于藍寶石晶體質量、提高晶體成品的利用率等以降低生產成本等要求，藍寶石的生長技術得到了廣泛的研究，出現了許多新方法和技術來生長藍寶石晶體，如提拉法、泡生法、導模法、熱交換法等。
提拉法生長藍寶石晶體
提拉法是1918年由Czochralski，J首創的，故又稱為“恰克拉斯基”技術，簡稱Cz提拉法。1964年由Poladino，AE和Rotter，BD首先將此方法應用于藍寶石晶體的生長，迄今為止已生產了大量優質的藍寶石晶體，其原理為：先將原料加熱至熔點后形成熔湯，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構相同的單晶。同時緩慢的向上提拉籽晶，并以一定速度旋轉。隨著籽晶的提拉，熔湯逐漸凝固于固液界面，進而形成單晶晶體。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，其優點在于：（1）生長速度較快，能在短期內生長出高質量的單晶；（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應力，提高晶體質量。但此方法生長晶體的一個較大缺點：可生長的晶體直徑較小，不利于大尺寸晶體的生長。
泡生法生長藍寶石晶體
泡生法，在1926年由Kyropouls發明，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間后以形成晶頸，待熔湯與籽晶界面的凝固速率穩定后，籽晶便不再拉升，也不作旋轉，僅以控制冷卻速率的方式來使單晶從上方逐漸向下凝固，最后形成一個單晶晶體。
采用泡生法工藝生產的產品，具有高品質、低缺陷密度、大尺寸、較佳的成本效益等特點。
導模法生長藍寶石晶體
導模法作為一種異型晶體生長技術，其運用原理為：通過將高熔點的熔體放入模具當中，熔體受模具毛細作用影響被吸到模具上，實現與籽晶的接觸，在籽晶提拉以及不斷凝固狀態下可形成單晶，同時，模具邊緣尺寸與形狀對晶體尺寸有著一定限制。因此，這種方法在應用的過程中存在一定局限性，僅適用于管形、U形等異型藍寶石晶體。
熱交換法生長藍寶石晶體
熱交換法制備大尺寸藍寶石晶體是FredSchmid和Dennis在1967年發明的。熱交換法系統保溫效果好，能獨立控制熔體和晶體的溫度梯度，可控性好，較易生長出位錯低、尺寸大的藍寶石晶體。
采用熱交換法生長藍寶石晶體，其優點在于晶體生長時，坩堝、晶體、加熱器都不動，消除了如泡生法、提拉法等的拉伸動作，減少人為干擾因素，從而避免機械運動而造成的晶體缺陷；同時可控制冷卻速率，減少晶體熱應力及由此產生的晶體開裂和位錯缺陷，能夠生長較大尺寸的晶體，較易操作，具有較好的發展前景。
參考來源：
[1]朱振峰.藍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.大尺寸藍寶石晶體生長技術的應用研究
[3]張雪平.藍寶石晶體生長與LED應用研究
[4]劉杰.藍寶石晶體的制備方法及特點概述
[5]卓韜咨詢
（中國粉體網編輯整理/山川）
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