蓝宝石单晶生长技术研发
蓝宝石单晶生长技术
蓝宝石生长技术焰熔法（Vemeuil)：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。
焰熔法的粗略的说是利用氢及氧气在燃烧过程中产生高温，使一种疏松的原料粉末（VK-L100G）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，合成过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（VK-L100G）经过充分拌匀，放入料筒。
如果合成红宝石，则需要高纯Al2O3粉末和少量的 Cr2O3参杂，Cr2O3用作致色剂，添加量为 1-3%。
高纯三氧化二铝可由铝铵矾加热获得。
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。
通过控制管内流量来控制氢氧比例，O2:H2=1:3；氢氧燃烧温度为2500℃，高纯Al2O3粉末的熔点为2050℃；冷却套：吹管至喷嘴处有一冷却水套，使氢气和氧气处于正常供气状态，保证火焰以上的氧管不被熔化C.生长系统落下的粉末（VK-L100G）经过氢氧火焰熔融，并落在旋转平台上的种晶棒上，逐渐长成一个晶棒（梨晶）。
水套下为一耐火砖围砌的保温炉，保持燃烧温度及晶体生长温度，近上部有一个观察孔，可了解晶体生长情况。
耐火砖的作用是保持炉腔的温度，使之缓慢下降，以便结晶生长。
旋转平台：安置种晶棒，边旋转、边下降；落下的熔滴与种晶棒接触称为接晶；接晶后通过控制旋转平台扩大晶种的生长直径，称为扩肩；然后，旋转平台以均匀的速度边旋转边下降，使晶体得以等径生长。
提拉法（CZ)：提拉法是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和熔体在交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出单晶体。
蓝宝石项目晶体生长技术研究报告
蓝宝石项目晶体生长技术研究报告
引用准确，并附有相关图片与数据，由蓝宝石晶体生长研究实验室专
业工作人员为你编写。
一、研究背景
蓝宝石，又称宝石石英，是一种矿物，也是最宝贵的天然宝石之一，
具有抗热、抗紫外线和压磨强度高等优良性能，是展示财富和品位的精品，一直是各类礼物礼品中的新宠。
然而，由于蓝宝石自然产量少，价格昂贵，因此难以满足市场对它的需求。
为此，蓝宝石晶体生长技术应运而生，目前已经逐渐受到业者的重视，为保证生产质量，蓝宝石晶体生长技术也迎来了发展新机遇。
二、实验原理
蓝宝石晶体生长技术是一种由晶面构成的可以按照预先设计的模型来
生长蓝宝石晶体的技术，主要是通过在搅拌溶液中添加二氧化碳等有机物质，使溶液中的成分形成极微量的枝毛状结构，然后利用电磁波原理，在
晶体生长过程中，按照模型的设计顺序形成蓝宝石晶体。
三、实验步骤
（1）首先，我们需要准备一个完整的蓝宝石晶体生长系统，包括可
以通过晶格变化而改变晶面的晶体生长装置、用于调整液体温度的加热装置、用以控制晶面的搅拌装置、用以控制晶体形成的电磁场装置。
蓝宝石单晶生长技术的现代趋势和应用进展
蓝宝石单晶生长技术的现代趋势和应用进展摘要：蓝宝石晶体已成为当今最重要的晶体材料之一，综合性能优良，广泛应用于各种领域。
本文综述了蓝宝石的新用途，并简要介绍了蓝宝石生长的主要方法以及不同制备方法的应用条件。
介绍了我国蓝宝石晶体的主要制造商和生长方法，最后提出了优化蓝宝石晶体工业增长的措施。
关键词：蓝宝石单晶；生长方法；应用分析前言蓝宝石，又称刚玉，是一种氧化铝晶体。
这些晶体具有稳定的机械、光学和化学稳定性，可在接近2 000 c的温度下使用，由于蓝宝石独特的晶体结构，具有优良的机械和血液特性。
近年来，蓝宝石市场继续扩大，涉及国防、科学技术和民用工业等许多新领域，特别是作为理想的基本材料，已被用于半导体二极管的生产，成为一种重要的高技术晶体。
目前中国种植蓝宝石晶体的企业很多最大的蓝宝石可能重130公斤，直径超过400毫米，但这些技术都不太成熟。
随着技术的发展，蓝宝石市场对结晶材料的重量和形状要求越来越高。
此外，由于成长和加工过程困难，设备和人员要求也很高，蓝宝石晶体工件的要求也越来越高。
因此，生产低成本高质量蓝宝石晶体的能力成为蓝宝石上游企业的主要发展方向。
如果技术成熟，可以满足目前对大型蓝宝石晶体的需求。
一、蓝宝石生长技术的比较1.泡生法泡生法被称为KY法，是从俄罗斯引进的一种高技术蓝宝石晶体生长技术。
首次应用于氢氧化物、碳酸盐晶体的制备和研究，并在20世纪60年代经过改进后才用于蓝宝石的生长。
泡生法生长的蓝宝石晶体通常是梨形的。
目前国内已广泛生产45kg晶体，85kg和100kg晶体也已成功开发。
但设备要求高，生产指标太低，从来没有大规模生产。
运气好法是1926年发明的，经过几十年的研究人员的不断改造和完善，现在是解决提拉法不能生产大晶体的好方法之一。
晶体生长原理和技术特点:将晶体原料放入高温坩埚中加热熔化，调节炉内温度场，使熔体顶部略高于熔点；将籽晶上籽晶向熔液表面提起，表面轻微熔化后，将表面温度降至熔点，提起并转动籽晶，使熔体顶部处于过冷状态，在籽晶上结晶，在不断上升过程中生长柱状晶体。
蓝宝石材料的制备和性能研究
蓝宝石材料的制备和性能研究蓝宝石是一种非常具有价值和观赏性的宝石，其高端的价值使得其在珠宝、光学和电子等领域得到广泛的应用。
然而，对于蓝宝石材料的制备和其性能的研究仍然是一个热门的研究领域。
这篇文章将从蓝宝石材料的制备方法、研究现状和未来发展方向进行探讨。
一、蓝宝石材料的制备方法蓝宝石是一种氧化铝，其晶体结构为六方最密堆积。
制备蓝宝石具有多种不同的方法，例如：1. 单晶生长法单晶生长法是一种比较常用的制备蓝宝石的方法，具体原理是在高温高压的环境下，通过控制显微镜下小晶核的生长，从而得到高质量的蓝宝石晶体。
这种方法需要掌握严格的温度和压力条件，同时还需要对种子晶体的选择进行严格控制。
2. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种相对简单的制备方法，它通过将氧化铝溶解在水中，加入草酸等化学试剂，产生凝胶状物质，再通过干燥和煅烧，最终得到高质量的蓝宝石材料。
这种方法的优点在于成本低廉，操作简单，但是制备出的材料质量有一定的限制。
3. 水热合成法水热合成法是一种新型的合成方法，它通过在高温高压的水溶液中反应氧化铝和碱金属碱土金属等化学试剂，制备蓝宝石材料。
这种方法具有高效、环保等优点，但是对反应条件的控制比较困难。
二、蓝宝石材料的性能研究现状蓝宝石材料的性能研究主要包括其物理性质和光学性质等方面，下面将分别进行介绍。
1. 物理性质在物理性质方面，蓝宝石材料具有较高的硬度、抗腐蚀性和耐高温性等特点，这些特性决定了蓝宝石在各种领域的应用价值。
此外，蓝宝石材料还具有较好的导热性和导电性能，在电子、光电、导热等领域也具有广泛的应用前景。
2. 光学性质在光学性质方面，蓝宝石材料具有非常优异的特性，例如高透明度、高折射率、高反射度、高旋光性等等。
这些性质使得蓝宝石在光学器件、激光技术、LED等领域有着不可替代的地位。
三、蓝宝石材料未来的发展方向随着材料科学和技术的不断发展，蓝宝石材料在未来的发展方向也发生了一系列的改变。
1. 晶体品质的提高在蓝宝石单晶生长领域，人们一直在追求晶体品质的提高，例如单晶中晶陷、丝状晶等缺陷的减少，这样才能获得更高质量的蓝宝石晶体，从而满足高端市场的需求。
数种蓝宝石晶体生长方法
蓝宝石晶体的生长方法自1885年由Fremy、Feil和Wyse利用氢氧火焰熔化天然红宝石粉末与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“日内瓦红宝石”，迄今人工生长蓝宝石的研究已有100多年的历史。
在此期间，为了适应科学技术的发展和工业生产对于蓝宝石晶体质量、尺寸、形状的特殊要求，为了提高蓝宝石晶体的成品率、利用率以及降低成本，对蓝宝石的生长方法及其相关理论进行了大量的研究，成果显著。
至今已具有较高的技术水平和较大的生产能力，为之配套服务的晶体生长设备——单晶炉也随之得到了飞速的发展。
随着蓝宝石晶体应用市场的急剧膨胀，其设备和技术也在上世纪末取得了迅速的发展。
晶体尺寸从2吋扩大到目前的12吋。
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。
总体说来，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。
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焰熔法、提拉法、区熔法、导模法、坩埚移动法、热交换法、温度梯度法、泡生法等。
而泡生法工艺生长的蓝宝石晶体约为目前市场份额的70%。
LED蓝宝石衬底晶体技术正属于一个处于正在发展的极端，由于晶体生长技术的保密性，其多数晶体生长设备都是根据客户要求按照工艺特点定做，或者采用其他晶体生长设备改造而成。
下面介绍几种国际上目前主流的蓝宝石晶体生长方法。
图9 蓝宝石晶体的生长技术发展1 凯氏长晶法(Kyropoulos method)简称KY法，中国大陆称之为泡生法。
泡生法是Kyropoulos于1926年首先提出并用于晶体的生长，此后相当长的一段时间内，该方法都是用于大尺寸卤族晶体、氢氧化物和碳酸盐等晶体的制备与研究。
上世纪六七十年代，经前苏联的Musatov改进，将此方法应用于蓝宝石单晶的制备。
该方法生长的单晶，外型通常为梨形，晶体直径可以生长到比坩锅内径小10～30mm的尺寸。
蓝宝石长晶
一、蓝宝石生长1.1 蓝宝石生长方法1.1.1 焰熔法Verneuil (flame fusion)最早是1885年由弗雷米（E. Fremy）、弗尔（E. Feil）和乌泽（Wyse）一起，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当时轰动一时的“ 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）改进并发展这一技术使之能进行商业化生产。
因此，这种方法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过程中产生高温，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。
下图是焰熔生长原料及设备简图。
这个方法可以简述如下。
图中锤打机构的小锤7按一定频率敲打料筒，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，也帮助往下送粉料。
氢经入口流进，在喷口和氧气一起混合燃烧。
粉料在经过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设有观察窗。
可由望远镜8观看结晶状况。
为保持晶体的结晶层在炉内先后维持同一水平，在生长较长晶体的结晶过程中，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，合成过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Al2O粉末和少量的 Cr2O3参杂，Cr2O3用作致色剂，添加量为 1-3%。
三氧化3二铝可由铝铵矾加热获得。
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。
蓝宝石晶体生长技术
蓝宝石晶体生长技术蓝宝石是一种非常珍贵的宝石，其具有高度的透明度和魅力的蓝色光泽。
然而，天然蓝宝石的价格昂贵且稀缺，因此科技界提出了人工合成蓝宝石的方法。
本文将介绍蓝宝石晶体的生长技术。
高温高压生长法是较为传统的一种方法。
它模拟了地球内部的高温高压环境，利用合适的矿物质和金属盐在高温高压条件下进行晶体生长。
在这个过程中，先将金属盐溶解在熔剂中，然后将蓝宝石种子放置在溶液中促进晶体生长。
这种方法由于需要高温高压环境，相对较难控制，但可以制备更大尺寸和更高质量的蓝宝石晶体。
化学气相沉积法是一种相对较新的技术，它采用气相材料进行晶体生长。
在这个过程中，将金属源和气相原料（如铝和气氙）连续供应到高温反应室中，使其在晶体基底上沉积，并逐渐形成完整的蓝宝石晶体层。
与HPHT法相比，化学气相沉积法更容易控制和扩展生产规模，适用于生产更薄的蓝宝石晶片。
无论采用哪种生长方法，蓝宝石晶体的质量都受到很多因素的影响。
其中，晶体的化学纯度、温度、压力、溶液成分和生长速度等因素都非常重要，直接影响着蓝宝石晶体的结构和质量。
为了获得高质量的蓝宝石晶体，科研人员还在不断研究改进这些生长技术。
例如，改变晶体生长的初始条件、优化晶体的生长环境、选择合适的基底材料等方法，都有助于提高蓝宝石晶体的质量和产率。
蓝宝石晶体的人工合成在很大程度上满足了市场对宝石的需求。
它不仅可以大量生产高质量的蓝宝石晶体，还可以根据市场和消费者需求来调整颜色、尺寸和形状。
此外，与天然蓝宝石相比，人工合成的蓝宝石更加经济实惠，也更环保可持续。
总的来说，蓝宝石晶体的生长技术是一项重要的宝石制造技术。
通过不断改进和创新，可以生产出高质量、低成本的蓝宝石晶体，满足市场需求，并为宝石行业带来巨大的发展潜力。
热交换法生长蓝宝石
摘要蓝宝石具有一些列优异的光学、力学、热学性能，是理想的红外窗口材料之一。
也是氮化镓外延生长最常用的沉底材料之一。
但蓝宝石晶体生长实验成本高、周期长，只靠郑家实验频率获得理想的生长工艺，已不能满足蓝宝石向着更高质量、更大尺寸方向发展的需求。
引入晶体生长数值模拟技术，可以有效的减少试验次数。
节省成本。
采用热交换发生长老宝石晶体，一句晶体生长理论，对生长系统进行合理近似，建立晶体生长数值分析模型，并引入晶体生长模拟软件CryMas，通过优化网格划分精度及选择气体对流方程迭代次数等手段，最终使得模拟结果与实验结果一致。
本文通过多种介质的对比，结合热交换法生长蓝宝石的具体特点，确定氦气为优选的热交换介质；研究了进气温度对热交换效率的影响，发现热交换效率随进气温度身高而单调降低；控制点温度从2345K升高到2370K的过程中，热交换效率几乎不变；热交换效率随进气口与出气口面积比Sin/Sout及进气口距离热交换器顶端的距离D的变化关系是非常单调的，确定了优选的工艺参数。
模拟了热交换器中气流量增大引起温场的变化过程，晶体和熔体中温度降低，温度梯度增大固液界面以近弧面的形式向前推进；结合生长系统的具体特点喝本实验室条件，确定了优选的保温材料；模拟了坩埚在加热器中的位置，对坩埚中温场的影响，确定了优选的坩埚位置；坩埚长径比增大，干活中温度梯度喝固液界面凸度变小；圆筒形加热器的长径比对蓝宝石生长过程中温度梯度和固液界面凸度影响较大。
长径比的增大，有利于得到较小的温度梯度和固液界面凸度；圆筒形加热器小角度（≤4°）倾斜对坩埚中温场无明显影响；热交换法蓝宝石晶体生长过程中难以避免地因异质形核出现多晶，因蓝宝石晶体热膨胀系数不匹配而相互挤压，导致晶体开裂。
为此，将热交换器至于干过的上方，表面固液界面和生长的晶体与坩埚壁接触。
模拟了相应的晶体生长过程，发现随气流量增大，晶体自籽晶处开始生长，在扩肩、等径生长过程中，晶体与熔体中的温度降低，温度梯度增大；通过改变坩埚在加热器中的位置，有效地避免了锅边结晶和锅底结晶，获得了合适的温场；对比了热交换器在不同位置时的生长特点，发现热交换器在坩埚上方时，能有效避免开裂问题。
北京中材人工晶体研究院有限公司成功生长“米级”超大口径蓝宝石单晶
第51卷第8期2022年8月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.51㊀No.8August,2022简㊀㊀讯北京中材人工晶体研究院有限公司成功生长 米级 超大口径蓝宝石单晶近期,北京中材人工晶体研究院有限公司(简称 人工晶体院 )采用自主设计制造的导模炉成功生长出尺寸达1000mm ˑ370mm ˑ12mm 的 米级 超大口径蓝宝石单晶,晶体表面平整㊁外观透明㊁质地均匀(见图1)㊂该超大尺寸蓝宝石单晶的成功研发,标志着人工晶体院在导模法蓝宝石晶体生长技术方面取得了重大突破,晶体尺寸比肩国际水平,为实现我国重大国防装备用关键核心材料的自主可控提供有力支撑㊂图1㊀人工晶体院采用导模法制备的大尺寸蓝宝石单晶人工晶体院是我国最早从事蓝宝石晶体材料生长研发的单位之一,自国家 九五 计划以来,承担了多项蓝宝石晶体相关的国家级攻关课题㊂当前,在核心技术自主化㊁关键材料国产化的背景下,针对国家重大图2㊀蓝宝石晶体透过率曲线图国防装备领域对大尺寸蓝宝石晶体部件的紧迫需求,人工晶体院凭借过硬的科研开发能力,基于自主研制的专用装备,结合理论模拟设计理想的温场分布,突破了导模法生长大尺寸蓝宝石单晶时易发生中心区域过冷㊁模具变形㊁微裂纹等一系列关键技术难题,成功生长出高品质超大尺寸蓝宝石单晶,且在可见-红外波段有良好的透过率(见图2)㊂目前,我国现役低空作战的武装直升机前风挡㊁装甲车辆风挡㊁坦克光电对抗系统窗口,以及新一代作战武器急需大口径蓝宝石透明装甲防护㊂导模法是唯一可直接生产长方形㊁圆弧形等异型蓝宝石晶体的方法,且复合后的蓝宝石透明装甲具有抗弯强度大㊁可见-红外透过率高㊁耐酸蚀和轻质化等不可替代的优点㊂因此,在大尺寸㊁一体化异型蓝宝石装甲上,导模法是目前可实现低成本产业化的最佳选择㊂人工晶体院将会继续攻关更大尺寸蓝宝石单晶核心技术,持续推进降本增效,有效满足国家重大国防装备发展的战略需求,助力实现国家核心战略材料的自主可控㊂(北京中材人工晶体研究院有限公司赵㊀鹏王晓亮供稿)Copyright ©博看网. All Rights Reserved.。
蓝宝石晶体生长技术详解
三、蓝宝石衬底片的加工工艺
机械 加工
机械 加工
晶体
晶棒
基片
晶体
晶棒
晶棒
基片
thanks
熔体表面有凝固浮岛的照片 （a）多边形（b）长条形
下籽晶照片
6、缩颈生长
当籽晶接触到熔体时，此时将产生一固液接口，晶颈便从籽晶接触到熔 体的固液接口处开始生长。 Kyropoulos方法生长蓝宝石单晶，需使用拉晶装置来拉晶颈部分，这个阶 段主要是判断并微调生长晶体之熔体温度。若晶颈生长速度太快，表示温 度过低，必须调高温度。若晶体生长速度太慢，或是籽晶有熔化现象，表 示温度过高，必须调降温度。由缩颈的速度来调整温度，使晶体生长温度 达到最适化。
晶生长（a）示意图，（b）实际情形照片颈
7、等径生长
当温度调整到最适化时，就停止 缩颈程序，开始生长晶身，不需要 靠拉晶装置往上提拉，只需使温度 慢慢下降，熔体就在坩埚内从籽晶 所延伸出来的单晶接口上，从上往 下慢慢凝固成一整个单晶晶碇。
8、晶体脱离坩埚 9、退火 10、冷却 11、晶体检测
晶体开始生长时期照片
泡生法(Kyropoulos method)原理示意图
泡生法的主要优点是：
1.较快的生长率（0.1—25mm/h） 2.高质量(光学等级) 3.大尺寸，无污染 4.低缺陷密度 5.高产能 6.较佳的成本效益
泡生法主要缺点是：
对生长设备的要求比较高
泡生法生长晶体的一般步骤：
1、填充原料及架设籽晶
首先称取一定重量的原料装到坩 埚内，以达到充填致密之效果。之 后，将坩埚放进炉体内加热器中央。 用耐高温钨钼合金线籽晶固定在 拉晶杆上，以利下籽晶或取出晶体 时可用拉晶装置来控制高度。
2、炉体抽真空
蓝宝石晶体生长方法（全）
晶体生长方法1. 底部籽晶法 (2)2. 冷坩埚法 (2)3. 高温高压法 (4)4. 弧熔法 (9)5. 提拉法 (9)6. 焰熔法 (12)7. 熔剂法 (14)8. 水平区熔 (16)9. 升华法 (17)10. 水热法生长晶体 (19)11. 水溶液法生长晶体 (21)12. 导向温梯法（TGT）生长蓝宝石简介 (22)1. 底部籽晶法图1 底部籽晶水冷实验装置示意图与提拉法相反，这种生长方法中坩埚上部温度高，下部温度低。
将一管子处在坩埚底部，通入水或液氮使下面冷却，晶体围绕着籽晶从坩埚底部生长2. 冷坩埚法图2 冷坩埚生长示意图人工合成氧化锆即采用冷坩埚法，因为氧化锆的熔点高（～2700℃），找不到合适的坩埚材料。
此时，用原料本身作为"坩埚"进行生长，装置如图2所示。
原料中加有引燃剂（如生长氧化锆时用的锆片），在感应线圈加热下熔融。
氧化锆在低温时不导电，到达一定温度后开始导热，因此锆片附近的原料逐渐被熔化。
同时最外层的原料不断被水冷套冷却保持较低温度，而处于凝固状态形成一层硬壳,起到坩埚的作用，硬壳内部的原料被熔化后随着装置往下降入低温区而冷却结晶。
3. 高温高压法图3 四面顶高压机(左)及六面顶高压机(右)的示意图图4 两面顶高温高压设备结构图图5 两面顶高温高压设备结构图图6 人工晶体研究院研制的6000吨压机图7 人造金刚石车间图8 六面顶高压腔及其试验件图9 钢丝缠绕高压模具图10 CVD生长金刚石薄膜的不同设计图11 南非德·拜尔公司合成的金刚石薄膜窗口图12 德·拜尔公司在1991年合成的14克拉单晶钻石温高压法可以得到几万大气压，1500℃左右的压力和温度，是生长金刚石，立方氮化硼的方法。
目前，高温高压法不但可以生长磨料级的金刚石，还可以生长克拉级的装饰性宝石金刚石。
金刚石底膜可用化学气相沉积方法在常压下生长。
4. 弧熔法图13 弧熔法示意图料堆中插入电极，在一定的电压下点火，发出电弧。
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。
蓝宝石晶体生长方法研究
蓝宝石晶体生长方法研究作者：周林来源：《硅谷》2013年第18期摘要蓝宝石单晶由于其优良的综合性能而成为当前重要的技术晶体材料之一，在各个领域都具有广泛的应用。
本文简述了蓝宝石单晶的主要性能，主要介绍了几种重要的蓝宝石单晶生长方法，并分析了各种方法的特点，最后概括了蓝宝石单晶目前及今后的主要发展方向，指出稳定工艺才是企业成熟的基础。
目前使用热交换法生长蓝宝石，最有可能在不断地增加晶体直径的情况下保持甚至提高晶锭的利用率，从而降低生产成本，在未来赢得更多更大的市场。
关键词大尺寸蓝宝石单晶；提拉法；泡生法；导模法；热交换法中图分类号：TB321 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）18-0069-02蓝宝石又称为刚玉，是一种氧化铝的单晶，这种晶体的机械、光学性能和抗化学稳定性都很稳定，而且可以在接近2000℃的温度下使用，并保持其优异的力学和热血性能，这些都源于蓝宝石独特的晶格结构。
几年来，蓝宝石市场不断地被开发，已经覆盖了国防、科技和民用工业等很多新的领域，特别是作为现在最理想的衬底材料被应用在半导体二极管的生产中，成为一种重要的高新技术晶体。
目前国内已有多家生长蓝宝石晶体的公司，生长的蓝宝石最大可以重达130 kg，直径达400 mm以上（如图1）。
但这些技术都不太成熟，随之科学技术的发展，蓝宝石市场对晶体材料的重量、形状等要求也日益苛刻。
而且由于在实际生长和加工过程的难度很大，对设备、人员的要求也很大，所需要的蓝宝石晶坯的规格也越来越多，所以能够低成本、高质量地生长蓝宝石单晶成为目前蓝宝石上游商家的主要发展方向，如果技术成熟可以极大的满足当前对大尺寸蓝宝石晶体的需求。
1 蓝宝石生长方法从最早的火焰法生长蓝宝石到如今的热交换法，已经有无数的生长方法被不断的研究及改进，但总体来说只有一个目的，能够得到低成本、高质量的大尺寸蓝宝石单晶。
整体看来，大部分的蓝宝石晶体都是采用熔体生长的方式。
CrystalTech - 蓝宝石晶体生长炉和晶体生长技术
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全新热场选材及设计；寿命长达2年或更高；有效降低能耗及耗 材消耗，提高设备利用率 快速热场定位系统，提高工艺稳定性，提高设备利用率 万分级高精度电源管理系统，提高晶体品质和成晶率 内置隔离系统，集成式炉内退火及快速更换籽晶功能， 提高晶体品质及设备利用率 防粘锅设计，提高成晶率及坩埚寿命 冷却水入口温度±0.5℃，提高晶体品质和成晶率 先进真空管理及气体分配系统，提高成晶率及晶体品质 安全装置及互锁，提高安全性 先进温控系统功率控制、温度控制精度±1.0℃，减少了人为的 影响（闭环控制），提高成晶率及晶体品质
LED 级蓝宝石晶棒 LED级的蓝宝石晶棒加工成蓝宝石基板， 是LED外延制造的主要基板材料之一。 是LED的最主要的原材料，占LED成本的12%。
非LED 级蓝宝石晶棒 可加工成高档手表的表面、珠宝、首饰等高档消费品。 以及轴承，光学仪器，军事等用途。 目前，70%瑞士手表蓝宝石表面均来自于国内蓝宝石加工厂家
LSGTM蓝宝石晶体生长工艺
革新性热场设计：经高速计算机模拟验证，提高成晶率； 热场材料选择：降低能耗及耗材消耗，提高热场稳定性及设备 利用率；
Easy Repeat 热场定位系统设计：提高热场稳定性；
设备利用率及成晶率各提升约15%-20%
Drive your lighting way
CTSSTM切磨抛工艺
组织机构图
GM
VP （Sales)
VP （Marketing)
VP (Project team)
CFO
HR/Admin
Process manager
Project manager
Drive your lighting way 3
香港科瑞斯特公司
技术团队组成： 工艺团队：来自国内外晶体生长行业的顶尖晶体工艺研发人员，
蓝宝石单晶的生长技术及应用研究进展
· 880·2011年蓝宝石单晶的生长技术及应用研究进展范志刚1，刘建军1,2，肖昊苏1，张 旺1，关春颖3，苑立波3(1. 哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨 150001；2. 东北石油大学电子科学学院，黑龙江 大庆 163318；3. 哈尔滨工程大学理学院，哈尔滨 150001)摘 要：蓝宝石单晶因其优良的综合性能而成为最重要的中红外光学材料之一，在军民两用中都具有广泛的应用前景。
简述蓝宝石单晶的主要性能；综述蓝宝石单晶的几种重要生长方法及其最新研究成果，并分析了各制备方法的优缺点；介绍了蓝宝石单晶的应用领域及其一些最新成果；最后指出蓝宝石单晶今后的研究重点：(1)改进现有制备工艺及完善近尺寸成型技术；(2)完善蓝宝石单晶的超光滑加工理论及其技术体系。
关键词：蓝宝石单晶；提拉法；导模法；热交换法；光学窗口；整流罩中图分类号：O78 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2011)05–0880–12Research Progress on Growth Technique and Application of Sapphire Single CrystalF AN Zhigang 1，LIU Jianjun 1,2，XIAO Haosu 1，ZHANG wang 1，GUAN Chunying 3，YUAN Libo 3(1. School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001; 2. School of Electronic Science, Northeast PetroleumUniversity, Daqing 163318, Heilongjiang; 3. College of Science, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)Abstract: Sapphire single crystal is one of the most important mid-infrared optical materials due to its excellent overall performance in both military and civil applications. This review represents the major properties of sapphire single crystal. The growth methods and recent work on the sapphire single crystal are reviewed. The advantages and disadvantages of different growth methods are analyzed. Recent work on the sapphire single crystal applications is summarized. Further studies on the sapphire single crystal involve: (1) im-provement of growth methods and the near-net-shaping technology, and (2) improvement of the theory and technology system on the ultra-smooth machining for the sapphire single crystal.Key words: sapphire single crystal; Czochralski method; edge defined film fed growth method; heat exchanger method; optical win-dow; dome现代国防科学与技术的不断进步，军事战略与战术的发展变化，使得导弹武器已成为世界多国优先发展和竞相购买的武器装备。
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合約編號：華機95專案字011號中華技術學院產學合作研究計畫結案報告機械工程系合作廠商：越峯電子材料股份有限公司計畫執行時程：95年3月17日至96年8月31日計畫金額：1,262,000元計畫主持人﹕黃聖芳博士藍寶石單晶生長技術研發越峰電子材料股份有限公司委託主導性研究計畫結案報告計畫主持人：黃聖芳中華技術學院機械系Tel：02-27867048ext.24,0921833132Fax：27867253e-mail：sfhuang@.tw台北市115南港區研究院路三段245號計畫執行時程：95年3月17日至96年8月31日目錄1、研究背景22、藍寶石之特性53、藍寶石單晶生長方法介紹74、原料、設備與實驗方法175、晶體檢測程序276、計畫執行成果287、結論361、研究背景：藍寶石(Sapphire)是一種氧化鋁(Al2O3)的單晶，又稱為剛玉(Corundum)，由於具有優良的機械、光學、化學以及抗輻射性質，因此近年來受到工業界廣泛的應用。
由於藍寶石的光學穿透範圍非常的寬，從波長190nm的近紫外光到波長5500nm的中紅外光，藍寶石都有很好的透光率，因此大量被使用作為特種光學元件的透鏡材料、高功率雷射的透鏡材料以及飛彈彈頭光罩的材料，如圖1所示。
由於藍寶石具有非常高的硬度與耐磨耗性能，因此也常作為精密機械的軸承材料，如圖2所示。
又因具有的良好之抗幅射性能，也使得藍寶石常被應用於航太機具或暴露於輻射環境中的光學元件材料，如圖3所示。
此外，目前在製作藍白光LED時所使用的基板材料(Substrate)，也是以藍寶石為主，圖4所示即為藍光發光二極體(LED)的結構示意圖。
由於藍白光LED具有使用壽命長、消耗功率低，發光效率高等優勢，已成為未來照明燈具的主流，深具市場發展潛力，因而使得作為製作藍白光LED基材的藍寶石之市場需求量也大幅提升。
目前國內工業界對藍寶石的需求量很大，但幾乎全仰賴從美、日、俄等國進口，主要原因是國內缺乏生長藍寶石單晶的技術與人才。
而美日等國有能力生產藍寶石單晶的廠商，所提出的技術移轉費用都非常的高，以致迄今尚無國內業者與美日等國的藍寶石單晶生產廠商進行合作。
本校(中華技術學院)與俄羅斯的Vniisims公司進行技術合作，引進生長藍寶石單晶的長晶爐與長晶技術，並建置完成整套生長藍寶石的製程，並已多次成功生長出符合工業品質需求的藍寶石單晶。
越峰電子材料股份有限公司正在積極發展藍寶石單晶的長晶技術，並已從俄羅斯引進所需的長晶設備。
本計畫即為本校與越峰公司共同簽定的主導性科專產學合作計畫，期望藉由本校已從俄羅斯技術移轉所得的藍寶石單晶長晶技術為基礎，繼續研究開發在藍寶石單晶的長晶製程中，各個參數對晶體品質的影響程度，進而發展出可生產品質更佳且更穩定的藍寶石單晶之製程技術，提供產業界量產之用。
本研究計畫預定完成之工作項目計有下列六項：1、瞭解不同形態的氧化鋁原料在藍寶石單晶長晶時的合適的比例。
2、確認長晶程序中各個階段的調配與控制對藍寶石單晶品質的影響程度。
3、透過製程參數的控制，包括：加熱電壓、加熱時間、加熱溫度、下晶種方式以及晶種拉升速率等。
掌控製程參數對藍寶石單晶品質之影響程度。
4、獲悉藍寶石單晶所含的缺陷型態與數量。
5、完成硬度分析。
(a)(b)圖1.(a)藍寶石晶棒與所製成的透鏡，(b)藍寶石所製成的光罩圖2.藍寶石單晶所製成的軸承圖3.航太機具的光學元件材料(a)(b)圖4.藍白光發光二極體(LED)之(a)外觀及(b)內部結構示意圖2、藍寶石之特性藍寶石的組成為氧化鋁(Al2O3)，是由三個氧原子和兩個鋁原子以共價鍵型式結合而成，如圖5(a)所示。
其晶體結構為六方晶格結構，如圖5(b)、(c)所示。
就顏色而言，單純的氧化鋁結晶是呈現透明無色的，因不同顯色元素離子滲透於生長中的藍寶石，因而使藍寶石顯出不同的顏色。
在自然界中當藍寶石在生長時，晶體內含有鈦離子（Ti3+）與鐵離子（Fe3+）時，會使晶體呈現藍色，而成為藍色藍寶石（Blue Sapphire）。
當晶體內含有鉻離子(Cr3+)時，會使晶體呈現紅色，而成為紅寶石(Ruby)。
又當晶體內含有鎳離子(Ni3+)時，會使晶體呈現黃色，而成為黃色藍寶石。
(a)(b)(c)圖5.Al2O3之(a)分子結構，以及晶體結構圖(b)上視圖與(c)側視圖表1所列為藍寶石之特性表，從表上所列之各種性質數值，可見藍寶石單晶在化學、電學、機械、光學、表面特性、熱力學以及耐久性等方面，均具有優越特性，因而使之成為應用最為廣泛的人工合成單晶材料。
藍寶石具有的特性說明如下：(1)化學穩定性：藍寶石具有高度的化學穩定性，在絕大多數化學反應過程中不會被腐蝕。
(2)機械特性：藍寶石單晶因其高硬度和高強度，可以在溫度範圍從超低溫至1500°C高溫之間的不同環境中保持高強度、耐磨耗與高度的穩定性。
(3)光學穿透率：藍寶石單晶材料的穿透波長範圍為0.19nm至5.5nm，加之其優異的化學穩定性，抗磨損，高硬度和耐高溫等性能，使藍寶石製作的窗口片和傳感器光學零件廣泛應用於高真空系統、高溫爐及其他嚴苛的環境中。
(4)熱力學特性：2000°C以上的熔點，加之優越的化學、機械及光學特性，使藍寶石晶體廣泛應用於許多苛刻的加工環境中。
(5)耐磨損性：由於具有很高的硬度和透明度，藍寶石晶體常用於製作耐磨損窗口或其它精密機械零件。
表1.氧化鋁(Al2O3)之特性表3、藍寶石單晶生長方法介紹藍寶石單晶的長晶方法有很多種，其中最常用的主要有九種，介紹如下：3.1凱氏長晶法(Kyropoulos method)簡稱KY法，中國大陸稱之為泡生法。
其原理與柴氏拉晶法(Czochralski method)類似，先將原料加熱至熔點後熔化形成熔湯，再以單晶之晶種(Seed Crystal，又稱籽晶棒)接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上開始生長和晶種相同晶體結構的單晶，晶種以極緩慢的速度往上拉升，但在晶種往上拉晶一段時間以形成晶頸，待熔湯與晶種界面的凝固速率穩定後，晶種便不再拉升，也沒有作旋轉，僅以控制冷卻速率方式來使單晶從上方逐漸往下凝固，最後凝固成一整個單晶晶碇，圖6即為凱氏長晶法(Kyropoulos method)的原理示意圖。
凱氏長晶法是利用溫度控制來生長晶體，它與柴氏拉晶法最大的差異是只拉出晶頸，晶身部分是靠著溫度變化來生長，並在拉晶頸的同時，調整加熱電壓，使熔融的原料達到最合適的長晶溫度範圍，讓生長速度達到最理想化，因而長出品質最理想的藍寶石單晶。
國外許多生長藍寶石的廠商，也是採用此方法以生長藍寶石單晶，本研究也將利用凱氏長晶法來生長藍寶石單晶，凱氏長晶法在生長過程中，除了晶頸需拉升外，其餘只需控制溫度的變化，就可使晶體成型，少了拉升及旋轉的干擾，比較好控制製程，因而可得到較佳的品質。
所以生長的藍寶石單晶具有以下的優點：1.高品質(光學等級)。
2.低缺陷密度。
3.大尺寸。
4.較快的生長率。
5.高產能。
6.較佳的成本效益。
圖6.凱氏長晶法(Kyropoulos method)之原理示意圖3.2柴氏拉晶法(Czochralski method)簡稱CZ法。
柴氏拉晶法之原理如圖7所示，先將原料加熱至熔點後熔化形成熔湯，再利用一單晶晶種接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上因溫度差而形成過冷。
於是熔湯開始在晶種表面凝固並生長和晶種相同晶體結構的單晶。
晶種同時以極緩慢的速度往上拉升，並伴隨以一定的轉速旋轉，隨著晶種的向上拉升，熔湯逐漸凝固於晶種的液固界面上，進而形成一軸對稱的單晶晶棒。
在拉升的過程中，透過控制拉升速度的快慢的調配，分別生長晶頸(Neck)、晶冠(Shoulder)、晶身(Body)以及晶尾。
每個部份都有其用意，生長晶頸主要是用來消除差排。
因為長晶過程複雜，差排產生量不易支配，所以大部分的晶體生長過程，都以消除差排為主要選擇。
長完晶頸後，需放慢拉升速度，使晶體直徑增大到所需的尺寸，此步驟為晶冠生長。
當晶體直徑增大到所需尺寸時，就以等速的速度來拉升，此部分的晶體直徑是固定的，也就是晶身部分。
此部分就是要作為工業用基板材料的部份，所以生長時，需格外小心。
當晶身長完時，就要使晶棒離開熔湯，此時拉升的速度會變快，使晶棒的直徑縮小，直到變成點狀時，再從熔湯中分開。
此步驟為晶尾生長，其目的是要避免晶棒與熔湯快速分離時，所產生的熱應力，若在分離時產生熱應力，此熱應力將使晶棒產生差排及滑移線等缺陷。
在現在的半導體產業中，CZ法是最常見到的晶體生長法，由於能生長出較大直徑之晶體，所以大約85％的半導體產業都使用CZ法來生長單晶棒。
圖7.柴氏拉晶法(Czochralski method)之原理示意圖3.3焰熔法(Flame-Fusion Growth Method)又稱Verneuil method，其原理如圖8之示意圖所示。
利用氫氧氣所形成的火焰，將氧化鋁粉末加熱熔化後，吹向一支氧化鋁棒(單晶晶種)的頂端，使熔融的氧化鋁在氧化鋁棒頂端形成一單晶液滴，單晶液滴逐漸成長為一單晶頸(Neck)。
藉由控制氧化鋁粉末的供給量與調整氫氧氣火焰，可使單晶頸之直徑逐漸增大，進而增長成為一長條圓柱形的單晶棒。
圖8.焰熔法(Verneuil method)之原理示意圖3.4熱交換器法(Heat Exchanger Method)簡稱HEM法，其原理是利用熱交換器來帶走熱量，使得晶體生長區內形成一下冷上熱的縱向溫度梯度，同時再藉由控制熱交換器內氣體流量的大小以及改變加熱功率的高低來控制此溫度梯度，藉此達成坩堝內熔湯由下慢慢向上凝固成晶體之目的，圖9所示為熱交換器法之原理示意圖。
3.5浮融區長晶法(Float Zone method)簡稱FZ法，其生長原理如圖10所示，主要是將棒狀的原料在生長爐中以懸吊的方式，由上往下經過一加熱環，當棒狀原料底端進入加熱環中央時，原料底端會因為高溫而熔化成滴液熔湯，當滴液狀熔湯產生時，將晶種由下往上的方式去接觸滴液狀熔湯，晶種接觸到滴液狀熔湯後，將晶種與棒狀原料由上往下同方向移動，進入加熱環中央的原料部份將會熔化，離開加熱環就冷凝成晶體，原子和分子就趁著熔化時重新排列作堆疊動作，等棒狀原料都經過加熱環後，就可得到單晶棒。
因為FZ法有兩個缺點，一是熔湯與晶體的接面很複雜，所以很難得到較少缺陷的晶體；二是因為它需要高純度的多晶棒當作原始材料，才能生長出高純度的單晶棒，所以國內半導體產業很少使用FZ法來生長晶體，但由於FZ法可生長出高純度單晶體，所以較適用在高功率元件，例如電晶體之高功率元件等。
圖10.浮融區長晶法(float zone method)之原理示意圖，(a)加熱、(b)原料熔化、(c)晶頸生長、(d)晶冠生長、(e)晶身生長以及(f)停止供料3.6水平區熔法(Horizontal Bridgman method)：其生長原理如圖11所示，將原料放入船形坩堝之中，船形坩堝之船頭部位主要是放置晶種，接著使坩堝經過一加熱器，鄰近加熱器之部份原料最先熔化形成熔湯，形成熔湯之原料便與船頭之晶種接觸，即開始生長晶體，當坩堝完全經過加熱器後，便可得一單晶體。