泡生法与提拉法最大的区别
泡生法生长高质量蓝宝石的原理和应用
万方数据１２宝石和宝石学杂志结构，质量欠佳；助熔剂法生长的宝石晶体也很小，且含有助熔剂阳离子，质量也不太好；而熔体法生长的宝石晶体具有较高的纯度和完整性，尺寸较大。
其基本原理是将晶体原料放入耐高温坩埚中加热熔化，然后在受控条件下通过降温使熔体过冷却，从而生长晶体。
由于降温的受控条件不同，因此，从熔体中生长宝石晶体的方法也稍有不同。
目前，世界上主要的熔体法生长技术有４种［５￣８］：晶体提拉法、导模法、热交换法和泡生法。
１．１晶体提拉法晶体提拉法（ｃｒｙｓｔａｌｐｕｌｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄ）由Ｊ．Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ于１９１８年发明，故又称“丘克拉斯基法”，简称Ｃｚ提拉法，是利用籽晶从熔体中提拉生长出晶体的方法，能在短期内生长出高质量的单晶。
这是从熔体中生长晶体最常用的方法之一。
其优点是：（１）在生长的过程中，可方便地观察晶体生长的状况；（２）晶体在熔体表面处生长，不与坩埚接触，能显著地减小晶体的应力，防止坩埚壁的寄生成核；（３）可以方便地运用定向籽晶和“缩颈”工艺，使“缩颈”后籽晶的位错大大减少，降低扩肩后生长晶体的位错密度，从而提高晶体的完整性（图１）。
其主要缺点是晶体较小，直径最多达约５１～７６ｍｍ。
图１提拉法生长的蓝宝石晶体Ｆｉｇ．１Ｓ＿ａｐｐｈｉｒｅｃｒｙｓｔａｌｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｃｒｙｓｔａｌｐｕｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄ（ｆｒｏｍＪＨＧｒｏｕｐＣｏ．）１．２导模法导模法（ｅｄｇｅ—ｄｅｆｉｎｅｄｆｉｌⅡ１－ｆｅｄｇｒｏｗｔｈ，ＥＦＧ）是改进型且可控制晶体形状的晶体提拉法。
其工艺特点是：在提拉的过程中生长出模具顶端形状的晶体，可按要求生长出多种形状。
如Ｓａｉｎｔ—Ｇｏｂａｉｎ公司采用该技术生长出直径达４５０～５００ｍｍ的光学晶片，日本京瓷公司改良该技术后生长出ＬＥＤ衬底使用的Ｃ面晶片并获得专利。
但该方法的设备和工艺技术难度较大，不易推广。
１．３热交换法热交换法（ｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｍｅｔｈｏｄ，ＨＥＭ）的实质是控制温度，让熔体直接在坩埚内凝固结晶，其主要技术特点是以Ｈｅ为冷却源，依靠Ｈｅ的循环带走热量而使晶体生长。
大尺寸蓝宝石单晶的制备方法研究进展
图 １ 泡生法炉体结构
全溶化并排出其中的气体 。 待原料充分熔化后 ，就可以 通过籽晶杆进行引晶的过程 。 受冷的籽晶与熔体接触 后 ，在接触的固液界面处即产生过冷区域 ，当接触面的 温度值低于材料的凝固点时 ，籽晶便围绕固液界面开始 生长 。 在此过程中 ，原子由随机堆积的状态转变为有序 排列 ，而这种变化是通过固液界面的移动来逐步完成 的 。 固液界面的形状一直是科研人员研究的重点内容 ， 研究发现微凸的固液界面最有利于高质量蓝宝石晶体 的生长［２］ 。 晶体的生长要经引晶放肩 、等径生长 、收尾 退火 、冷却 ４ 个阶段 ，在晶体生长的各个阶段 ，通过不断 调节加热体的温度来提供晶体生长所需的驱动力 ，最终 完成晶体生长的全过程 。
梯度 。
由上式可知 ，当提高晶体中温度梯度或降低熔体中
温度梯度时 ，可以提高晶体生长速度 ，但是晶体生长速
度不宜过快 ，否则易引起过大的位错密度和过高的热应
力 。 ＳＡＰＭ ＡＣ 法通过加热系统 、隔热系统的设计 ，为晶
体生长系统提供合适的附加温度梯度 ，使晶体和熔体中
的温度梯度值处于合理的范围内 ，提高晶体生长速度的
３ 冷心放肩微量提拉法制备蓝宝石单晶
ＳＡＰＭ ＡＣ 法最早是由哈尔滨工业大学复合材料与 结构研究所提出并应用于大尺寸蓝宝石单晶制备的 ，此 方法是在泡生法和提拉法的基础上 ，进一步改进而得出 的［３］ 。 该方法综合了泡生法和提拉法的优点 ，可制备出 大尺寸 、高质量的蓝宝石晶体 ，其系统简图如图 ２ 所示 ， 单晶生长的原理与泡生法基本相似 。
图 ２ 冷心放肩微量提拉法系统 ３ ．１ ＳＡＰＭ ＡＣ 法炉体内温场分布
如图 ２ 所示 ，在蓝宝石结晶过程中 ，炉体内不同部 位具有不同的传热方式 。 加热体通过电流生热 ，产生的 热量以热辐射和热对流的方式传至坩埚 ，坩埚又以热传 导的方式将热量传至熔体内部 ，熔体内部的传热方式以 热对流为主 。 蓝宝石属于半透明晶体 ，除了热传导之 外 ，辐射热流也可在晶体内部传播 ，故热传导和热辐射 在晶体内部热量传输中起主导作用 。 因此 ，冷心放肩微
最全的材料晶体生长工艺汇总
最全的材料晶体生长工艺汇总提拉法提拉法又称直拉法，丘克拉斯基（Czochralski）法，简称CZ法。
它是一种直接从熔体中拉制出晶体的生长技术。
用提拉法能够生长无色蓝宝石、红宝石、钇铝榴石、钆镓榴石、变石和尖晶石等多种重要的人工宝石晶体。
提拉法的原理：首先将待生长的晶体的原料放在耐高温的坩埚中加热熔化，调整炉内温度场，使熔体上部处于过冷状态；然后在籽晶杆上安放一粒籽晶，让籽晶下降至接触熔体表面，待籽晶表面稍熔后，提拉并转动籽晶杆，使熔体处于过冷状态而结晶于籽晶上，并在不断提拉和旋转过程中，最终生长出圆柱状的大块单晶体。
提拉法的工艺步骤可以分为原料熔化、引晶、颈缩、放肩、等径生长、收尾等几个阶段。
具体过程如示意图。
提拉法晶体生长工艺有两大应用难点：一是温度场的设置和优化；二是熔体的流动和缺陷分析。
下图为提拉法基本的温度场设置以及五种基本的熔体对流模式。
在复杂的工艺条件下，实际生产需要调整的参数很多，例如坩埚和晶体的旋转速率，提拉速率等。
因此实际中熔体的温度场和流动模式也更复杂。
下图是不同的坩埚和晶体旋转速率下产生的复杂流动示意图。
这两大应用难点对晶体生长的质量和效率都有很大影响，是应用和科研领域中最关心的两个问题。
通常情况下为了减弱熔体对流，人为地引入外部磁场是一种有效办法，利用导电流体在磁场中感生的洛伦兹力可以抑制熔体的对流。
常用的磁场有横向磁场、尖端磁场等。
下图是几种不同的引入磁场类型示意图。
引入磁场可以在一定程度上减弱对流，但同时磁场的引入也加大了仿真模拟的难度，使得生长质量预测变的更难，因此需要专业的晶体生长软件才能提供可靠的仿真数据。
晶体提拉法有以下优点：（1）在晶体生长过程中可以直接进行测试与观察，有利于控制生长条件；（2）使用优质定向籽晶和“缩颈”技术，可减少晶体缺陷，获得优质取向的单晶；（3）晶体生长速度较快；（4）晶体光学均一性高。
晶体提拉法的不足之处在于：（1）坩埚材料对晶体可能产生污染；（2）熔体的液流作用、传动装置的振动和温度的波动都会对晶体的质量产生影响。
晶体生长方法(新)
晶体生长方法1) 提拉法（Czochralski,Cz ）晶体提拉法的创始人是J. Czochralski ，他的论文发表于1918年。
提拉法是熔体生长中最常用的一种方法，许多重要的实用晶体就是用这种方法制备的。
近年来，这种方法又得到了几项重大改进，如采用液封的方式（液封提拉法，LEC ），如图1，能够顺利地生长某些易挥发的化合物（GaP 等）；采用导模的方式（导模提拉法）生长特定形状的晶体（如管状宝石和带状硅单晶等）。
所谓提拉法，是指在合理的温场下，将装在籽晶杆上的籽晶下端，下到熔体的原料中，籽晶杆在旋转马达及提升机构的作用下，一边旋转一边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩肩、转肩、等径、收尾、拉脱等几个工艺阶段，生长出几何形状及内在质量都合格单晶的过程。
这种方法的主要优点是：(a) 在生长过程中，可以方便地观察晶体的生长情况；(b) 晶体在熔体的自由表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核；(c) 可以方便地使用定向籽晶与“缩颈”工艺，得到完整的籽晶和所需取向的晶体。
提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质量的晶体。
提拉法中通常采用高温难熔氧化物，如氧化锆、氧化铝等作保温材料，使炉体内呈弱氧化气氛，对坩埚有氧化作用，并容易对熔体造成污杂，在晶体中形成包裹物等缺陷；对于那些反应性较强或熔点极高的材料，难以找到合适的坩埚来盛装它们，就不得不改用其它生长方法。
图1 提拉法晶体生长装置结构示意图2)热交换法（Heat Exchange Method, HEM）热交换法是由D. Viechnicki和F.Schmid于1974年发明的一种长晶方法。
其原理是：定向凝固结晶法，晶体生长驱动力来自固液界面上的温度梯度。
特点：(1) 热交换法晶体生长中，采用钼坩埚，石墨加热体，氩气为保护气体，熔体中的温度梯度和晶体中的温度梯度分别由发热体和热交换器（靠He作为热交换介质）来控制，因此可独立地控制固体和熔体中的温度梯度；(2) 固液界面浸没于熔体表面，整个晶体生长过程中，坩埚、晶体、热交换器都处于静止状态，处于稳定温度场中，而且熔体中的温度梯度与重力场方向相反，熔体既不产生自然对流也没有强迫对流；(3) HEM法最大优点是在晶体生长结束后，通过调节氦气流量与炉子加热功率，实现原位退火，避免了因冷却速度而产生的热应力；(4) HEM可用于生长具有图2HEM晶体生长装置结构示意图特定形状要求的晶体。
微提拉旋转泡生法制备蓝宝石晶体
微提拉旋转泡生法制备蓝宝石晶体及LED衬底材料研究报告一、行业背景：未来高亮度照明LED的市场将非常广阔LED是发光二极管的简称（Light-Emitting-Diode），是由化合物半导体材料制成的发光器件。
其发光的基本原理是利用LED内原本分离两端的电子和空穴，在外加正向电压后相互结合时将电能转化成光能，能量以光的形式释放出来。
LED是一种节能环保、寿命长和多用途的环保光源，其能耗仅为白炽灯的10%，荧光灯的50%。
LED作为一种照明光源的普及将能能够显著降低电力消耗，减少二氧化碳排放。
中国是世界上光电子技术研究发展速度最快的国家之一，随着中国“国家半导体照明工程”的启动实施，目前中国的一些研究机构和企业大大加快了产业化的步伐，美国、欧洲和日本等发达国家都积极支持LED产业的发展，出台产业支持政策。
从“十一五”计划开始，我国政府将把半导体照明工程作为一个重大工程进行推动。
国内企业大多数从事LED下游的封装和应用，所需芯片、关键设备和技术大部分得从境外进口。
手机背光源的普及推动全球LED产业快速发展；从2021年起，笔记本电脑屏幕和电视屏幕采用LED逐渐普及，是全球LED产业新的发展动力；未来高亮度照明LED的市场非常广阔其中景观照明是最大的细分市场，背光源和显示屏次之。
通过发光方式的转变，LED将电能直接转化为光能，能量转化效率大大高于白炽灯和荧光灯。
中国绿色照明工程促进项目办公室的专项调查显示，我国照明用电每年在3000亿度以上，如由LED取代，可节省1/3的照明用电，相当于总投资规模超过2000亿元的三峡工程的全年发电量。
LED作为一种照明光源的普及将能能够显著降低电力消耗，减少二氧化碳排放。
LED的使用寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。
LED光源的微型化、快速响应、色彩丰富以及可数字化控制等特点使其拥有巨大的应用市场。
中国大陆已经成为世界上重要的中低端LED封装生产基地。
人工蓝宝石加工介绍
蓝宝石晶体 晶棒
晶棒
基片
蓝宝石晶棒制造工艺流程
蓝晶棒
长晶: 利用长晶炉生长尺寸大且高品质的单晶蓝宝石晶体
定向: 确保蓝宝石晶体在掏棒机台上的正确位置,便于掏棒加工
掏棒: 以特定方式从蓝宝石晶体中掏取出蓝宝石晶棒
除红宝石以外的所有刚玉宝石的通称
主要化学成分:Al2O3 晶体结构：六方晶格结构 掺杂不同的金属离子而呈现不同颜色 硬度：莫氏硬度9 熔点高 化学稳定性好 电绝缘性 透明度高（对近紫外到中红外的光都不吸收）
蓝宝石晶体生长方法
• 溶液生长
• 熔体生长 • 气相生长
紫氏拉晶法 即:提拉法(CZ)
凯氏长晶法 即:泡生法(KY) 热交换法(HEM)
滚磨: 用外圆磨床进行晶棒的外圆磨削,得到精确的外圆尺寸精度
品检: 确保晶棒品质以及以及掏取后的晶棒尺寸与方位是否合客户规格
蓝宝石基片制造工艺流程 晶棒
机械加工
基片
定向:在切片机上准确定位蓝宝石晶棒的位置,以便于精准切片加工 切片:将蓝宝石晶棒切成薄薄的晶片 研磨:去除切片时造成的晶片切割损伤层及改善晶片的平坦度 倒角:将晶片边缘修整成圆弧状,改善薄片边缘的机械强度,避免应力集中造成缺陷 抛光:改善晶片粗糙度,使其表面达到外延片磊晶级的精度 清洗:清除晶片表面的污染物(如:微尘颗粒,金属,有机玷污物等) 品检:以高精密检测仪器检验晶片品质(平坦度,表面微尘颗粒等),以合乎客户要求
提拉法加工工艺： （1）将原料加热熔融至熔汤 (2)利用一籽晶(单晶晶种）插入到 熔汤中（温度适宜籽晶不会融化） (3）慢慢向上提拉和转动晶杆，同 时缓慢降低加热功率，籽晶就会不 断长粗。控制好加热功率就能够得 到所需直径的晶体。
初级按摩师知识要求——第四章15种按摩手法的施术要领和作用
第四章15种按摩手法的施术要领和作用第一节推法定义：术者用指、掌或肘部着力于受术部位，进行单方向的直线或孤形移动的方法，称为推法。
分为平推法、直推法、分推法、合推法等。
一、平推法平推法是推法中着力较重的一种手法。
1、手法操作（1）拇指平推法术者以一手或两手拇指指腹着力于施术：部位，沿经络循行或沿肌肉纤维走行方向推进，可于穴位处配合缓和的按揉动作，反复操作数次。
（2）掌平推法术者以全掌着力于施术部位，以掌根为重点，向一定方向推进，可用双手重叠增大力度做缓慢的推进。
（3）拳平推法术者以一手握拳，以第二、三、四、五指指间关节部着力，沿肌肉纤维方向缓慢推动，此法是平推法中刺激较强的手法。
（4）肘平推法术者屈肘，以鹰嘴突着力于施术部位，做与肌肉纤维方向平行的缓慢推移，是平推法中刺激最强的一种。
2、手法要领施术手要紧贴于体表，带动皮下组织一起推动。
平推法用力较重，着力要均匀，平稳着实。
推进速度宜缓慢。
平推法必须直线推动，不可偏斜和跳跃。
术前施术部位宜涂抹少量油性递质，以保持皮肤滑润，避免损伤皮肤。
3、作用疏通经络，理筋活血，消瘀散结，消食导滞，解痉止痛。
注：平推法与擦法有相似之处，都是直线运动，但平推是隼向运动，对体表压力较大，速度亦较慢，不要求皮肤出现潮红和温热。
二、直推法术者用指或掌按压在体表受术部位上，进行直线推移，叫直推法。
1、手法操作（1）拇指直推法以一手或两手拇指指腹着力于受术部位，沿经络方向或肌肉纤维平行方向，保持一定压力的单方向推动，是按摩起始和结束的手法。
（2）全掌直推法术者以全手掌着力于施术部位、五指微分开，腕部挺直，以单掌、双掌或双掌重叠加力做单方向推动的手法。
（3）掌根直推法术者手腕上跷，适度背屈，五指伸直，用单手或双手掌根着力于施术部位直推的方法。
如需加力可双掌重叠。
（4）鱼际直推法术者五指并拢，手腕伸直，以大鱼际小鱼际为中心，肘部灵活屈伸，以鱼际着力向前推动。
如需增加力度，可以另一手压于施术手上。
蓝宝石晶体生长方式介绍
蓝宝石晶体生长方式介绍目前可用来以熔体生长方式人工生长蓝宝石晶体的方法主要有熔焰法、提拉法、区熔法、坩埚移动法、热交换法、温度梯度法和泡生法等。
蓝宝石晶体生长方式可划分为溶液生长、熔体生长、气相生长三种，其中熔体生长方式因具有生长速率快，纯度高和晶体完整性好等特点，而成为是制备大尺寸和特定形状晶体的最常用的晶体生长方式。
但是，上述方法都存在各自的缺点和局限性，较难满足未来蓝宝石晶体的大尺寸、高质量、低成本发展需求。
例如，熔焰法、提拉法、区熔法等方法生长的晶体质量和尺寸都受到限制，难以满足光学器件的高性能要求；热交换法、温度梯度法和泡生法等方法生长的蓝宝石晶体尺寸大，质量较好，但热交换法需要大量氦气作冷却剂，温度梯度法、泡生法生长的蓝宝石晶体坯料需要进行高温退火处理，坯料的后续处理工艺比较复杂、成本高。
α-Al2O3单晶又称蓝宝石，俗称刚玉，是一种简单配位型氧化物晶体。
蓝宝石晶体具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，强度高、硬度大、耐冲刷，可在接近2000℃高温的恶劣条件下工作，因而被广泛的应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料。
其独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热学性能使蓝宝石晶体成为实际应用的半导体GaN/Al2O3发光二极管(LED)，大规模集成电路SOI和SOS及超导纳米结构薄膜等最为理想的衬底材料。
低成本、高质量地生长大尺寸蓝宝石单晶已成为当前面临的迫切任务蓝宝石晶体检测加工设备蓝宝石掏棒机X射线晶向测试仪金刚石线锯切割机蓝宝石掏棒机自动精密研磨抛光机AMEST-302010-11-18 15:21:55AMEST-30该设备是使用微拉旋转泡生法培育单晶蓝宝石，用这个设备长出来的蓝宝石最高质量35kg，最大直径220mm，最大长度260mm。
技术特性在熔炉中原料的最大负载：35kg熔融物最高温度：2100℃炉内最低气压：5 x 10-5pa载晶棒的运转最大路程：280mm载晶棒的运转速度：0.1-1.2mm/小时能量功耗：最大55千瓦冷却水使用：3.6立方米/小时惰性气体使用：0.18立方米/周期重量：1500kg附加参数加热方式：电阻式作业环境：真空，5 x 10-5 Pa晶棒转速（速度变化差异在0.1mm/小时的增量之内）：——最低速率：0.1mm/时——最高速率：1.2mm/时晶棒的加速运动速率：最大25mm/时)晶棒运动速率维持精确性：±2%晶棒自转频率：——最低速率：0.045转/秒（3转/分钟）——最高速率：0.135转/秒（8转/分钟）加热器电压稳定的精确性——在2.6V到5V之间：±2——在5V到7V之间：±1%——在7V到11V之间：±0.1%安装要求一个符合下列微型气候参数的车间：——温度：22±5°С——相对湿度低于90%——车间10平方米以上——地面有排污管道，或者低于地面至少75mm的管道。
蓝宝石的生长方法
2010年7月7日，元鸿(山东)光电材料有限公司成功生产出第一炉89.5 kg的蓝宝石单晶，其尺寸属国内最大[21]。
2005年，韩杰才等[22]在对泡生法和提拉法改进的基础上发明了用于生长大尺寸蓝宝石单晶的方法：冷心放肩微量提拉(sapphire growth technique withmicro-pulling and shoulder-expanding at cooled center，SAPMAC)法。SAPMAC法的原理示意图及其生长的蓝宝石单晶见图6[23–24]。
热交换法
热交换法(heat exchanger method，HEM)[8]最早于1967年由美国陆军原料研究实验室的FredSchmid和Dennis Viechnicki发明，其原理示意图及其生长的蓝宝石单晶，见图7[26]。
热交换法是生长大尺寸、高质量蓝宝石最成熟的方法之一，其晶体生长方向有a轴、m轴或r轴，通常采用a轴方向[17]。梯度单晶炉是一种改装的真空石墨电阻炉(见图7a)，即在真空石墨电阻炉底部插入钨钼制成的热交换器，并保证整个炉内真空密封[27]。热交换法的实质在于控制温度让熔体直接在坩埚内凝固生长单晶，其特点是依靠氦气在热交换器内的循环带走热量而使蓝宝石单晶生长[26–28]。氦气循环带热过程为：氦气从热交换器低端的中心管内向上流进，到达热交换器顶端(即坩埚底部与热交换器接触的部分)吸收坩埚底部的热量，然后在中心管外且热交换器内(热交换器是由2个同心管相套而成)区域向下从热交换器的低端流出。所用坩埚的材料是根据生长单晶材料性质决定，热交换法生 长蓝宝石单晶一般选用钼坩埚。其操作和生长过程
第四章 单晶材料的制备
接转变为有序阵列，这种从无对称结构到有对称性结 构的转变不是一个整体效应，而是通过固一液界面的 移动而逐渐完成的。
• （3）熔体生长的目的是为了得到高质量的单晶体，
为此，首先要在熔体中形成一个单晶核（引入籽晶， 或自发成核），然后，在晶核和熔体的交界面上不断 进行原子或分子的重新排列而形成单晶体，即在籽晶 与熔体相界面上进行相变，使其逐渐长大。
• 4.采用交替施加应变和退火的方法，可以得到2.5cm的高能单晶
铝带，使用的应变不会促使新晶粒成核，退火温度为650℃。
应变退火法制备铁单晶
• 1.在550℃使铝退火，以消除应变的影响并提供大小合乎要求的
晶粒。
• 2.初始退火后，较低温度下回复退火，以减少晶粒数目，使晶粒
在后期退火时更快地长大，在320℃退火4h以得到回复，加热至 450℃，并在该温度下保温2h，可以获得15cm长，直径为1mm的丝 状单晶。
现在我国的人工水晶，人造金刚石已成为一个高技术产业。
BGO、KTP、KN、BaTiO3和各类宝石晶体均已进入国际市场 BBO、LBO、LAP等晶体也已经达到了国际水平。
我国每三年召开一次全国人工晶体生长学术交流会，就晶体 生长理论与技术，新材料晶体的研制，进行广泛的学术交流。
4.1.2 单晶体概述
(3)定向凝固技术
定向凝固方法制备材料时，各种热流能够被及时的 导出是定向凝固过程得以实现的关键，也是凝固过程成 败的关键。伴随着热流控制（不同的加热、冷却方式） 技术的发展。定向凝固经历了由传统定向凝固向新型定 向凝固技术的转变。
A 传统定向凝固技术
传统 定向 凝固 技术
液态
功率 高速
流态床
蓝宝石晶体主要生长方法和研究现状
1 蓝宝石晶体的特质蓝宝石晶体是一种理想的晶体材料，具有良好的导热性、透光性、化学稳定性，且耐高温、耐腐蚀、高强度、高硬度，被广泛应用于抗高压器件、耐磨损器件、红外制导、导弹整流罩等太空、军事、科研等高科技领域[1]。
由于天然蓝宝石稀少，成本高以及化学成分不纯，因而不能被工业材料广泛使用，工业上大量应用的蓝宝石是人工合成。
本文对蓝宝石晶体的主要生长方法作了较详细介绍，综述了国内外的一些研究成果并讨论了目前存在的问题。
2 蓝宝石晶体主要生长方法2.1 坩埚下降法（VGF ）坩埚下降法的基本原理如图1所示，其生长过程为：将晶体生长的原料装入坩埚内，使其通过具有单向温度梯度的生长炉（温度上高下低），随着坩埚逐渐向下的连续运动，固液界面沿着与其运动相反的方向定向生长，熔体自下而上凝固，从而实现晶体生长过程的连续性。
坩埚形状对于是否能成功获得优质的单晶具有决定性的作用，通过设计合适的坩埚尖端形状，使得只有一个晶粒长大，终止其他晶粒的生长，以成功获得单晶，也可以在坩埚底部放置加工成一定形状和取向的籽晶，以实现单晶生长。
采用坩埚下降法生长出的晶体内应力及位错密度大，但由于坩埚密封，晶体不易被污染，纯度较高。
2.2 热交换法（HEM）热交换法应用于蓝宝石晶体生长最早在1970年，由Schmid 和Viechnicki 提出[2]。
美国Crystal Systems 公司的S.Frederick 等人[3]将热交换法用于蓝宝石晶体生长已有30多年的历史。
目前热交换法所生长的晶体直径可达430mm [4]。
热交换法的长晶原理为：在电阻加热炉底部装有热交换器，内有冷却氦气流过。
装有原料的坩埚置于热交换器的上方，籽晶放于坩埚底部中心处。
当坩埚里面的原料被加热熔化后，籽晶由于底部热交换器的冷却作用并未熔化，此时加大氦气流量，从熔体中带走的热量增加，籽晶逐渐长大，最后使坩埚内的熔体全部结晶。
生长过程中，固液界面处的温度梯度是晶体生长的驱动力，熔体的温度可通过调节石墨加热器的功率来改变，而晶体的热量可以调节通过氦气的流量带走。
蓝宝石长晶方法比对(HEM-KY)
HEM&KY长晶方法比对1.简述表2.工艺分析热交换法（HEM）1970年，美国的Schmid和Viechnicki发明了一种新的单晶生长方法，称为Gradient Furnace Technique，1974年将该方法正式命名为热交换法(HEM)。
热交换法的基本原理是利用热交换器带走热量，使生长炉内形成一个下冷上热的纵向温度梯度，通过控制热交换器内气体流量及加热功率的大小来控制温场，从而实现晶体的生长，其实质是熔体在坩埚内的直接凝固。
将装有原料的坩埚放在热交换器中心，籽晶置于坩埚底部中心处并固定于热交换器一端，加热坩埚内的原料至完全熔化，由于氦气流过热交换器冷却，籽晶并不熔化。
待温场稳定后，逐渐加大氦气流量，从熔体中带走的热量随之加剧，使熔体延籽晶逐渐凝固并长大，同时逐渐降低加热温度，直至整个坩埚内的熔体全部凝固。
Schmid认为，对于热交换法，生长过程中应严格控制降温的速率，其值要小于15K/h，而当炉内环境温度接近熔点(Tm)＋5K时，降温速率最好控制在5K/h以下，否则，单晶体内极易产生气泡，而且晶体内的位错密度也会迅速增加[28]。
由此可见，愈小的降温速率愈有助于获得良好的晶体。
利弊分析：热交换法的主要优势在于：固液界面位于坩锅内，坩埚不做任何移动，受外力作用干扰少；通过改变坩锅形状可以改变晶体生长的形状，减少对流的影响，因此该工艺较适于制造大尺寸的蓝宝石单晶。
缺点：氦气问题：氦气冷却，需要建氦气站、氦气循环系统，成本高，密封难；湍流引起缺陷；同时非真空生长容易引入微气泡。
HEM法籽晶置于坩埚底部，晶体生长过程晶体生长率以及生长界面的位置不能直接观察或测量问题，是个靠测温度模拟的过程，温度变化是无法真正反应晶体生长率和界面的位置，十分容易生长过快引起大量的缺陷，所以对电压的稳定是苛刻。
所以HEM的晶体的云层和微散点较难于很好的控制。
单晶性问题：HEM法籽晶在底部以及晶体和坩埚壁接触，会产生应力或寄生成核，容易多晶，单晶性一定不好。
国内外蓝宝石厂商介绍
国内外蓝宝石厂商介绍蓝宝石市场前景广阔,但目前生产大尺寸蓝宝石晶体技术主要被俄罗斯和欧美企业垄断。
据统计,目前全球70%的蓝宝石衬底由俄罗斯企业提供,另外30%由美国和欧洲掌控。
国内尚未形成产业化生产的蓝宝石衬底片生产厂家。
蓝宝石是制作芯片的重要原料,占LED芯片原料费的10%。
2010年第三季度后,全球蓝宝石产量居前两名的公司纷纷涨价,直接影响了LED芯片及封装价格上涨。
蓝宝石是指非红色的氧化铝（Al2O3）。
含有杂质的蓝宝石很早以前就被作为宝石，由于其具有多种光学、机械、电气、热以及化学特性，因此还被广泛应用于工业等多种领域，而且应用范围仍在不断扩大之中。
其中，能够合成制造出蓝宝石更是意义重大。
蓝宝石的主要用途包括LED和LED底板。
LED市场在2010年经历了史无前例的发展。
随着市场的发展，制造蓝色和白色GaN类LED 时使用的蓝宝石底板的需求也大幅增长。
对底板成品的需求由每月按2英寸换算（TIE)为100万（2009年12月）增加到了200万（2010年第四季度）。
2009年第四季度，蓝宝石的加工能力满足需求还有余力。
也就是说，加工蓝宝石的企业还能应对当时的需求。
但是，材料的供应能力在2009年年底就逐步达到了极限。
生产蓝宝石材料的企业大部分都因为2009年的金融危机和一直持续到09年的巨大物价压力而陷入苦于资金周转的困境。
另外，由于新设备的导入和运转通常需要半到一年的时间，2010年产能缓慢上升，因而无法适应需求的急剧增加。
由此产生了严重的材料短缺，导致价格暴涨。
蓝宝石芯材（Core）和坯料（Blank）由商品变身为“战略性材料”，大量的蓝宝石生产商时隔数年又重新掌握了定价的主导权。
而且，他们可以将价格设定为能够最大限度获取利润的水平。
其结果是，蓝宝石晶圆的美国国内售价超出我们的预想，上涨到了30美元，现金交易市场上的价格更是超过了30美元。
很多加工蓝宝石的企业和LED厂商为确保产能已经预付了货款，目的是防止生产线停工。
晶体生长方法(新)
晶体生长方法1）提拉法（Czochralski,CZ晶体提拉法的创始人是J. Czochralskj他的论文发表于1918年。
提拉法是熔体生长中最常用的一种方法，许多重要的实用晶体就是用这种方法制备的。
近年来，这种方法又得到了几项重大改进，如采用液封的方式（液封提拉法，LEC,如图1,能够顺利地生长某些易挥发的化合物（GaP等）；采用导模的方式（导模提拉法）生长特定形状的晶体（如管状宝石和带状硅单晶等）。
所谓提拉法，是指在合理的温场下，将装在籽晶杆上的籽晶下端，下到熔体的原料中，籽晶杆在旋转马达及提升机构的作用下，一边旋转一边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩肩、转肩、等径、收尾、拉脱等几个工艺阶段，生长出几何形状及内在质量都合格单晶的过程。
这种方法的主要优点是：（a）在生长过程中，可以图1提拉法晶体生长装置结构示意图方便地观察晶体的生长情况；（b）晶体在熔体的自由表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核；（c）可以方便地使用定向籽晶与缩颈”工艺，得到完整的籽晶和所需取向的晶体。
提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质量的晶体。
提拉法中通常采用高温难熔氧化物，如氧化锆、氧化铝等作保温材料，使炉体内呈弱氧化气氛，对坩埚有氧化作用，并容易对熔体造成污杂，在晶体中形成包裹物等缺陷；对于那些反应性较强或熔点极高的材料，难以找到合适的坩埚来盛装它们，就不得不改用其它生长方法。
2) 热交换法(Heat Exchange Method, HEM )热交换法是由D. Viechnicki和F. Schmid于1974年发明的一种长晶方法。
其原理是：定向凝固结晶法，晶体生长驱动力来自固液界面上的温度梯度。
特点：（1）热交换法晶体生长中，采用钼坩埚，石墨加热体，氩气为保护气体，熔体中的温度梯度和晶体中的温度梯度分别由发热体和热交换器（靠He作为热交换介质）来控制，因此可独立地控制固体和熔体中的温度梯度；（2）固液界面浸没于熔体表面，整个晶体生长过程中，坩埚、晶体、热交换器都处于静止状态，处于稳定温度场中，而且熔体中的温度梯度与重力场方向相反，熔体既不产生自然对流也没有强迫对流；（3） HEM法最大优点是在晶体生长结束后，通过调节氦气流量与炉子加热功率，实现原位退火，避免了因冷却速度而产生的热应力；（4） HEM 可用于生长具有特定形状要求的晶体。
人工蓝宝石加工介绍
蓝宝石基片的原材料是晶棒,晶棒由蓝宝石晶 体加工而成.其相关制造流程如下:
蓝宝石晶体
晶棒
晶棒
基片
蓝宝石晶棒制造工艺流程
蓝宝石晶棒加工流程
晶体
机械加工
晶棒
长晶: 利用长晶炉生长尺寸大且高品质的单晶蓝宝石晶体 定向: 确保蓝宝石晶体在掏棒机台上的正确位置,便于掏棒加工 掏棒: 以特定方式从蓝宝石晶体中掏取出蓝宝石晶棒 滚磨: 用外圆磨床进行晶棒的外圆磨削,得到精确的外圆尺寸精度 品检: 确保晶棒品质以及以及掏取后的晶棒尺寸与方位是否合客户规格
出纳米级特定规则的微结构图案藉以控制LED之输出光形式，并可同 时减少生长在蓝宝石基板上GaN之间的差排缺陷，改善磊晶质量，并 提升LED内部量子效率、增加光萃取效率。
蓝宝石结晶面示意图
最常用来做GaN磊晶的是C面(0001)这个不具极性的面,所以GaN的极性 将由制程决定
(加工工艺： （1）将原料加热熔融至熔汤 (2)利用一籽晶(单晶晶种）插入到 熔汤中（温度适宜籽晶不会融化） (3）慢慢向上提拉和转动晶杆，同 时缓慢降低加热功率，籽晶就会不 断长粗。控制好加热功率就能够得 到所需直径的晶体。
泡生法的加工工艺与提拉法的区别：加工工艺大致相同，但泡生法开始提拉， 旋转晶杆至籽晶缩颈形成晶肩，停止提拉保持旋转，控制熔体温度缓慢冷却， 待结晶。
除红宝石以外的所有刚玉宝石的通称
主要化学成分:Al2O3 晶体结构：六方晶格结构 掺杂不同的金属离子而呈现不同颜色
硬度：莫氏硬度9 熔点高 化学稳定性好 电绝缘性 透明度高（对近紫外到中红外的光都不吸收）
蓝宝石晶体生长方法
• 溶液生长 • 熔体生长 • 气相生长
紫氏拉晶法 即:提拉法(CZ) 凯氏长晶法 即:泡生法(KY) 热交换法(HEM)
GT solar 热交换法不可忽视的真相
GT solar 热交换法不可忽视的真相GT solar 风靡全球之际有人用美国F22战绩的坠毁这一神话的破灭来嘲笑GT solar这个神话破灭的必然性,也有人提出了自己独到的理性的见解.GT solar 大肆渲染的热交换法（HEM）蓝宝石长晶技术现在正一迅雷不及掩耳之势打开中国市场，这打破了蓝宝石长晶行业“卖炉子的不长晶，长晶的不卖炉子”的“潜规则”。
在泡生法和提拉法长晶技术广为成熟的今天热交换法到底有没有分一杯羹的实力呢？在与泡生法和提拉法做比较的基础上，我们今天主要就热交换法的特点对其进行详细的剖析。
第一坩埚泡生法用的钨坩埚，提拉法一般采用的是铱坩埚，而热交换法用的则是钼坩埚。
泡生法与提拉法对工人的操作要求非常高，也就是说即使你能买到俄罗斯Monocrystal的蓝宝石长晶炉，你长出的晶体只能当导弹头，而人家的才能做蓝宝石衬底。
这或许也是造成“卖炉子的不长晶，长晶的不卖炉子”的窘境的因由吧。
相比热交换法则自动化程度较高，对工人操作的要求要低很多。
（不过这也只是GT solar 在宣传自己的炉子的时候声称的，具体的还得等国内第一批长出晶的厂家说了才算。
我们姑且认为热交换法自动化程度比泡生法提拉法都高）。
可是不要忘了热交换法长晶是需要砸锅的，这个砸锅那可是个技术活，比泡生法提拉法的人工控制都要高技术，薄壁钼坩埚基本上是一次性的，砸锅取出晶体就报废了，厚壁的坩埚砸锅技术好的话还可以重复使用个一两次，这砸锅这门技术活该谁来呢？第二耗材众所周知，泡生法的材料利用率比较低，提拉法的话材料利用率较泡生法提高了一个档次，而热交换法的氧化铝Al2O3粉利用率较提拉法又提高到了一个档次。
这当然也毫无疑问的成为了GT solar在中国推广自己炉子时的一大卖点。
我想提醒大家的是，热交换法如此漫长的长晶周期，（大直径的晶体生长周期可达一个月左右）耗费大量的电力难道就不在工厂成本的计算之内？整个周期里面需要不断送入大量氮气，这笔资金不也是工厂的生产成本么？第三晶体开裂这个难题是困扰热交换法（HEM）市场化的主要制约因素。
泡生法与提拉法最大的区别
泡生法与提拉法最大的区别作者：Mark浏览次数：90日期：2011年6月27日17:20摘要：相信很多新手都会疑问：泡生法和提拉法的最大区别在哪里，因为无论从长晶过程以及长晶设备来看，两者的区别都不是很大，这里我为大家稍微讲述两者的区别。
提拉法在一定温度场、提拉速度和旋转速度下，熔体通过籽晶生长，形成一定尺寸的单晶。
其优点有：通过精密控制温度梯度、提拉速度、旋转速度等，可以获得优质大单晶；.可以通过工艺措施降低晶体缺陷，提高晶体完整性；.通过籽晶制备不同晶体取向的单晶；.容易控制。
提拉法的缺点是：.由于使用坩埚，因此，容易污染；.对于蒸气压高的组分，由于挥发，不容易控制成分；.不适用于对于固态下有相变的晶体。
提拉法晶体生长装置示意图上图介绍了提拉法的过程示意图，也许可以帮助您了解提拉法的机理与过程。
泡生法泡生法（Kyropoulos method）的原理与提拉法类似。
首先原料熔融，再将一根受冷的籽晶与熔体接触，如果界面的温度低于凝固点，则籽晶开始生长。
为了使晶体不断长大，就需要逐渐降低熔体的温度，同时旋转晶体，以改善熔体的温度分布。
也可以缓慢地(或分阶段地)上提晶体，以扩大散热面。
晶体在生长过程中或生长结束时不与坩埚壁接触，这就大大减少了晶体的应力，不过，当晶体与剩余的熔体脱离时，通常会产生较大的热冲击。
泡生法与提拉法的最大区别在于，泡生法是利用温度控制生长晶体，生长时只拉出晶体头部，晶体部分依靠温度变化来生长，而拉出颈部的同时，调整加热电压以使得熔融的原料达到最合适的生长温度范围。
泡生法晶体生长装置示意图对于泡生法，最大的难点个人认为是气泡的问题，通常从顶部生长晶体很容易引入气泡造成晶体质量缺陷，其次钼系统的损耗和高温下的变形也是提高了生长成本和生长难度。
但相信从事这些方法的顶级厂商对于这些问题都有相应的解决方法，其实生长宝石的方法有很多，由于宝石的加工难度大，所以针对不同产品采取不同方法差距很大，直径小于50mm，质量要求不高的火焰法是绝对首选，而大尺寸平板，导模法最有优势，泡生法在体材料方面无人能敌，而热交换法在生长过程中稳定，易控制，重复性好，不宜产生气泡问题，但其成本和生长周期一直是高居不下.。
蓝宝石各类生长方式
一、蓝宝石生长蓝宝石生长方式1.1.1 焰熔法Verneuil (flame fusion)最先是1885年由弗雷米（E. Fremy）、弗尔（E. Feil）和乌泽（Wyse）一路，利用氢氧火焰熔化天然的红宝石粉末与重铬酸钾而制成了那时轰动一时的“ 日内瓦红宝石”。
后来于1902年弗雷米的助手法国的化学家维尔纳叶（Verneuil）改良并进展这一技术使之能进行商业化生产。
因此，这种方式又被称为维尔纳叶法。
1）基本原理焰熔法是从熔体中生长单晶体的方法。
其原料的粉末在通过高温的氢氧火焰后熔化，熔滴在下落过程中冷却并在种晶上固结逐渐生长形成晶体。
2）合成装置与条件、过程焰熔法的粗略的说是利用氢及氧气在燃烧进程中产生高温，使一种疏松的原料粉末通过氢氧焰撒下焰融，并落在一个冷却的结晶杆上结成单晶。
以下图是焰熔生长原料及设备简图。
这个方式能够简述如下。
图中锤打机构的小锤7按必然频率敲打料筒，产生振动，使料筒中疏松的粉料不断通过筛网6，同时，由进气口送进的氧气，也帮忙往下送粉料。
氢经入口流进，在喷口和氧气一路混合燃烧。
粉料在通太高温火焰被熔融而落在一个温度较低的结晶杆2上结成晶体了。
炉体4设有观看窗。
可由望远镜8观看结晶状况。
为维持晶体的结晶层在炉内前后维持同一水平，在生长较长晶体的结晶进程中，同时设置下降机构1，把结晶杆2缓缓下移。
焰熔法合成装置由供料系统、燃烧系统和生长系统组成，合成进程是在维尔纳叶炉中进行的。
A.供料系统原料：成分因合成品的不同而变化。
原料的粉末经过充分拌匀，放入料筒。
如果合成红宝石，则需要Al2O3粉末和少量的 Cr2O3参杂，Cr2O3用作致色剂，添加量为 1-3%。
三氧化二铝可由铝铵矾加热取得。
料筒：圆筒，用来装原料，底部有筛孔。
料筒中部贯通有一根震动装置使粉末少量、等量、周期性地从筛孔漏出。
震荡器：驱动震动棒震动，使料筒不断抖动，以便原料的粉末能从筛孔漏出。
B.燃烧系统氧气管：从料筒一侧释放，与原料粉末一同下降；氢气管：在火焰上方喷嘴处与氧气混合燃烧。
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泡生法与提拉法最大的区别
作者：Mark浏览次数：90日期：2011年6月27日17:20
摘要：
相信很多新手都会疑问：泡生法和提拉法的最大区别在哪里，因为无论从长晶过程以及长晶设备来看，两者的区别都不是很大，这里我为大家稍微讲述两者的区
别。
提拉法
在一定温度场、提拉速度和旋转速度下，熔体通过籽晶生长，形成一定尺寸的单晶。
其优点有：通过精密控制温度梯度、提拉速度、旋转速度等，可以获得优质大单晶；
.可以通过工艺措施降低晶体缺陷，提高晶体完整性；
.通过籽晶制备不同晶体取向的单晶；
.容易控制。
提拉法的缺点是：
.由于使用坩埚，因此，容易污染；
.对于蒸气压高的组分，由于挥发，不容易控制成分；
.不适用于对于固态下有相变的晶体。
提拉法晶体生长装置示意图
上图介绍了提拉法的过程示意图，也许可以帮助您了解提拉法的机理与过程。
泡生法
泡生法（Kyropoulos method）的原理与提拉法类似。
首先原料熔融，再将一根受冷的籽晶与熔体接触，如果界面的温度低于凝固点，则籽晶开始生长。
为了使晶体不断长大，就需要逐渐降低熔体的温度，同时旋转晶体，以改善熔体的温度分布。
也可以缓慢地(或分阶段地)上提晶体，以扩大散热面。
晶体在生长过程中或生长结束时不与坩埚壁接触，这就大大减少了晶体的应力，不过，当晶体与剩余的熔体脱离时，通常会产生较大的热冲击。
泡生法与提拉法的最大区别在于，泡生法是利用温度控制生长晶体，生长时只拉出晶体头部，晶体
部分依靠温度变化来生长，而拉出颈部的同时，调整加热电压以使得熔融的原料达到最合适的生长温度范围。
泡生法晶体生长装置示意图
对于泡生法，最大的难点个人认为是气泡的问题，通常从顶部生长晶体很容易引入气泡造
成晶体质量缺陷，其次钼系统的损耗和高温下的变形也是提高了生长成本和生长难度。
但相信从事这些方法的顶级厂商对于这些问题都有相应的解决方法，其实生长宝石的方法有很多，由于宝石的加工难度大，所以针对不同产品采取不同方法差距很大，直径小于50mm，质量要求不高的火焰法是绝对首选，而大尺寸平板，导模法最有优势，泡生法在体材料方面无人能敌，而热交换法在生长过程中稳定，易控制，重复性好，不宜产生气泡问题，但其成本和生长周期一直是高居不下.。