国内外蓝宝石市场现状及生长方法介绍

国内外蓝宝石市场现状及生长方法介绍

发布日期:2011-04-08来源:统计整理作者:网络阅读: 1032[ 字体选择：大中小 ]

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。

生产蓝宝石晶棒的工艺主要有泡生法(KY法、凯氏长晶法)、提拉法(C Z法、柴氏拉晶法)、温度梯度法(TGT法)等，其中泡生法为主流工艺，生产的蓝宝石晶体约占70%，钻取率约30%。

蓝宝石晶体原材料为氧化铝碎晶，生产利用率大于97%，已经完全国产化。蓝宝石单晶产品即为蓝宝石坯料，可直接出售，不合格品可直接作为原材料再次加工。其他消耗材料如钨钼材料、金刚石刀具、传感器、仪表等均国产化。预计由蓝宝石生产蓝宝石晶棒的原材料、耗材均可由国内充分供应，此环节的短板主要在于长晶炉依赖进口。

国内主要的蓝宝石晶体炉厂家都是高校研究机构，包括西安理工大学、哈尔滨工业大学以及重庆第二十六研究所等。但国内目前的生产技术只能生产2英寸以下的蓝宝石晶棒，长成的晶体与氮化镓(GaN)的晶格错位较大，无法用于LED的蓝宝石衬底领域，大多用于手表表面外壳等。

蓝宝石晶棒的供应商有美国的Rubicon、Honeywell，俄罗斯的Monocrystal、ATLAS，韩国STC 及国内合晶光电、越峰(台聚转投资)、尚志(大同转投资)及鑫晶钻(奇美、鸿海转投资)。

蓝宝石基板的供应商有美国的Rubicon、Honeywell、Crystal Systems、Saint-Gobain，俄罗斯的Monocrystal、ATLAS Sapphire，日本的京都陶瓷(Kyocera)、Namiki、Mahk，及国内兆远、兆晶(奇美转投资)、晶美、合晶及中美晶等公司。其产能如下：

目前，GaN基衬底包括蓝宝石、SiC、GaN、Zno等，商业化的只有蓝宝石、SiC衬底，除CREE外，基本都使用蓝宝石衬底。

2010年全球主要LED蓝宝石基板生产厂商2英寸基板的厚度

对于新增设备，安装需要3～6个月的时间。从工艺角度而言，大尺寸蓝宝石晶体生产周期需10天左右，准备和后处理需要7天左右，试件加工需要7天左右，质量检测、微观结构及光电性能需要30天左右，工艺分析、模拟需要7天左右。前后就耗去6～8个月的时间。

同时，蓝宝石晶棒除了应用于LED产业，还应用于以下几个方面：

蓝宝石晶棒供不应求的主要原因在于MOCVD的疯狂扩张，而并不是LED终端产品需求的增加。由于蓝宝石晶棒、基板的紧缺，MOCVD机器只有不到50%的能够开工，MOCVD的过剩中短期内将催高蓝宝石晶棒、基板价格的价格，造成终端产品价格的上涨，降低磊晶厂的毛利率。从长期看，蓝宝石晶棒、基板的紧缺必将起到大浪淘沙的作用，一部分芯片质量相对不高，成本相对较高的外延片、芯片企业将倒在普通照明市场打开之前。

蓝宝石晶体的生长方法常用的有两种:

1:柴氏拉晶法(Czochralski method),简称C Z法.先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再利用一单晶晶种接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上因温度差而形成过冷。于是熔汤开始在晶种表面凝固并生长和晶种相同晶体结构的单晶。晶种同时以极缓慢的速度往上拉升，并伴随以一定的转速旋转，随着晶种的向上拉升，熔汤逐渐凝固于晶种的液固界面上，进而形成一轴对称的单晶晶锭.

2:凯氏长晶法(Kyropoulos method),简称KY法,大陆称之为泡生法.其原理与柴氏拉晶法(C zochralskimethod)类似，先

将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再以单晶之晶种(SeedCrystal，又称籽晶棒)接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶，晶种以极缓慢的速度往上拉升，但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔汤与晶种界面的凝固速率稳定后，晶种便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固，最后凝固成一整个单晶晶碇.

晶体提拉法

晶体提拉法(crystal pulling me thod) 由J .Czochral ski 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。其主要缺点是晶体较小,直径最多达约51～76 mm。.

泡生法

泡生法( Kyropoulos method) 于1926 年由Kyropoul s 发明,经过科研工作者几十年的不断改造和完善,目前是解决晶体提拉法不能生产大晶体的好方法之一。其晶体生长的原理和技术特点是:将晶体原料放入耐高温的坩埚中加热熔化,调整炉内温度场,使熔体上部处于稍高于熔点的状态;使籽晶杆上的籽晶接触熔融液面,待其表面稍熔后,降低表面温度至熔点,提拉并转动

籽晶杆,使熔体顶部处于过冷状态而结晶于籽晶上,在不断提拉的过程中,生长出圆柱状晶体。

泡生法与提拉法生长晶体在技术上的区别是: (1) 晶体直径在扩肩时前者的晶体直径较大,可生长出100 mm 以上直径的蓝宝石晶体,而后者则有些难度；(2) 晶体方向前者对生长大尺寸、有方向性的蓝宝石晶体拥有更大的优势；(3) 晶体质量泡生法生长系统拥有适合蓝宝石晶体生长的最佳温度梯度。在生长的过程中或结束时,晶体不与坩埚接触,大大减少了其应力,

可获得高质量的大晶体,其缺陷密度远低于提拉法生长的晶体,且两者生长晶体的形状也不同。