消費類電子產品用藍寶石晶體生長方法綜述

杜彥召

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.25.104

摘 要：藍寶石單晶由于其優良的綜合性能而成為當前重要的技術晶體材料之一，在軍用和民用等各個領域都具有廣泛的應用，尤其最近幾年手機終端廠家計劃將藍寶石晶體材料導入智能手機等消費類電子的設計和制造。本文簡述了藍寶石單晶的主要性能，主要介紹了熱交換法和泡生法兩種主要的藍寶石單晶生長方法并對比分析了每種方法的特點，最后概括了藍寶石單晶目前及今后的主要發展方向，指出未來消費類電子產品對藍寶石人工晶體的需求將是主流。綜合不同長晶方法的各自特點分析后，得出熱交換藍寶石長晶法最合適規模化量產，最有可能在不斷地增加晶體直徑的情況下保持甚至提高晶錠的利用率，從而降低生產成本，是最適合手機等消費類電子產品的長晶方法，符合未來市場需求。

關鍵詞：消費類電子 藍寶石手機蓋板 泡生法 大尺寸藍寶石單晶 熱交換法

中圖分類號：O78 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（a）-0104-03

Abstract： Sapphire single crystal has become one of the most important technical crystal materials due to its excellent comprehensive performance. It has a wide range of applications in military and civil areas. In recent years， mobile phone manufacturers plan to introduce sapphire crystal material into smart mobile phone and other consumer electronic devices manufacturing. In this paper， the main properties of sapphire single crystal are briefly introduced. The main methods of heat exchange method and KY method are introduced. The characteristics of each method are analyzed and compared. Finally， the present and future of sapphire development direction， pointed out that consumer electronics products on the demand for sapphire crystal will be the mainstream. Based on the analysis of the characteristics of different crystal growth methods， it is concluded that the heat-exchanged sapphire crystal growth method is the most suitable for mass production， and it is most likely to maintain or even increase the utilization rate of ingot in the case of increasing the crystal diameter， with low cost， is the most suitable for mobile phones and other consumer electronic products，in line with future market demand.

Key Words： Consumer electronic devices； Sapphire mobile phone screen cover； KY method； Large size sapphire single crystal； Heat exchange method

藍寶石化學組成為氧化鋁，是由3個氧原子和兩個鋁原子以共價鍵型式結合而成的晶體，其晶體結構為六方晶格結構。分為天然藍寶石晶體和人工藍寶石晶體。藍寶石晶體是對除紅色氧化鋁晶體外其他顏色氧化鋁晶體的統稱，并非只有藍色的氧化鋁晶體才叫做藍寶石。

自然界中的天然藍寶石晶體，晶體內往往含有微量的雜質元素使晶體顯示出不同的顏色。當晶體內含有鈦離子（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。自然界的天然藍寶石晶體一般為尺寸較小的晶體，開采后主要用于珠寶首飾的設計制造。

人工藍寶石晶體一般是不含有顯色元素離子的透明無色晶體。其生長過程是，采用一定的晶體生長方法將無定型的高純氧化鋁原料放進坩堝中，在一定溫度下經過熔融再結晶從而形成具有一定形狀和尺寸的人工藍寶石晶體。人工藍寶石晶體材料的物理化學性能優異，具有廣泛的應用場景。藍寶石的化學穩定性：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都不會被腐蝕。藍寶石的機械特性：藍寶石具有高硬度和高強度，可以在溫度范圍從超低溫到1500℃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。同時是目前已知硬度最高的氧化物晶體材料，硬度僅次于金剛石（硬度莫氏10級）達到莫氏9級[1]。藍寶石的光學特性：藍寶石單晶材料的穿透波長范圍為0.19nm到5.5nm，雙面拋光后的藍寶石窗口片可見光透過率86%以上，可廣泛應用于各類光學窗口產品的設計和生產。藍寶石晶體垂直于C向和平行于C向的介電常數為分別為9.3和11.5，是玻璃材料的2倍左右，用藍寶石晶體制作的觸摸顯示屏靈敏度極高。用藍寶石人工晶體制成的窗口片其四點彎曲強度可以達到1000MPa以上，是目前玻璃產品強度的1.5倍以上，同時由于藍寶石晶體熱導率是玻璃的2倍，其散熱速率是玻璃材料的2倍。endprint

由于藍寶石人工材料在強度、耐磨性、耐劃傷性、觸摸靈敏度等方面的性能完全優于目前的玻璃材料，因此美國蘋果公司提出計劃將藍寶石新材料導入智能手機屏幕蓋板產業。而人工藍寶石晶體只有具備一定的外形尺寸和重量、成本相對較低才可滿足智能手機屏幕蓋板等消費類電子產業產品的生產要求，所以低成本、高質量、大尺寸藍寶石單晶已成為當前藍寶石人工晶體產業不同生產廠家的共同研發目標。

1 人工藍寶石晶體的生長方法

藍寶石人工晶體的需求多種多樣，因此其生長方法也多種多樣。藍寶石人工晶體的生長方法主要有：火焰法、提拉法、區熔法、導模法、坩堝移動法、熱交換法、溫度梯度法、泡生法等。

隨著藍寶石人工晶體生長技術的不斷發展，生長過程自動化程度高、人工干預少、工藝穩定、良率穩定、產能穩定、成本相對較低的藍寶石長晶方法將符合市場的需求，具有較強的競爭力，是未來長晶技術的趨勢和主流。而以上多種晶體生長方法中，只有熱交換法和泡生法這兩種晶體生長方法可生長出相對較大尺寸的人工晶體。下面就這兩種國際上目前主流的藍寶石人工晶體生長方法進行介紹。

1.1 泡生法

泡生法又稱之為凱氏長晶法（Kyropoulos Method），簡稱KY法，是Kyropoulos[2]于1926年首先提出并用于晶體的生長，此后相當長的一段時間內，該方法都是用于大尺寸鹵族晶體、氫氧化物和碳酸鹽等晶體的制備與研究。其原理與直拉法（Czochralski Method）類似，先將原料加熱至熔點后熔化形成熔湯，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后，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，最后凝固成一整個單晶晶碇。

20世紀60、70年代，泡生法經改進，將此方法應用于藍寶石單晶的制備。該方法生長的藍寶石單晶，外型通常為梨形，晶體直徑最大可以生長到300mm左右，晶體高度最大可以生長到600mm左右，晶體重量一般為100kg左右。

泡生法藍寶石長晶法的主要特點如下。

（1）引晶過程靠人工來完成，對作業員操作技能要求較高，生長過程需要較多的人工判斷干預，自動化程度相對較低，晶體生長良率隨人員變動有較大波動。

（2）晶體生長過程不與坩堝壁接觸，生長出的晶體晶界缺陷相對較少。

（3）晶體生長過程是克服重力的懸空生長，在晶體一邊旋轉一邊向上提拉的過程中較易產生微氣泡，此種方法生長的晶體致密度較其他靜態藍寶石長晶法差，微氣泡產生概率較高。

（4）生長出的晶體形狀不規則，非等徑生長，晶體成品利用率相對較低。

（5）晶體熱場多為耐高溫金屬材料，使用壽命相比于石墨熱場等無機材料，使用次數和壽命相對較短。

1.2 熱交換法

熱交換法（Heat Exchange Method）簡稱HEM法。熱交換法是一種為了生長大尺寸藍寶石晶體而發明的藍寶石人工晶體生長技術，由美國人Schmid和Viechnicki共同發明[3]。1970年Schmid和Viechnicki首先運用熱交換法生長出大塊的藍寶石晶體。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，同時再通過控制熱交換器內氦氣氣體流量（He高導熱率氣體，循環帶走熱量）的大小及改變加熱功率的高低來控制此溫度梯度，使坩堝內熔融的氧化鋁從底部籽晶處由下向上凝固成藍寶石人工晶體。

后來該技術被美國專業的晶體爐生長廠家GT公司收購，經過系統化的研究開發，成為美國GT公司自動化藍寶石長晶爐的專利技術，在美國得到應用和發展后，近幾年才被引入國內，很快就被市場和同行認可。因為該方法是一種為了生長大尺寸藍寶石而發明的晶體生長技術：生產過程自動化程度高、產能大、良率穩定，適合規模化批量生產，該方法代表了當前的藍寶石人工晶體新材料產業最主要的需求對象和發展趨勢。該方法生長的晶體直徑最大可達600mm，晶體高度可達550mm，晶體重量最大可到300kg以上

熱交換藍寶石晶體生長方法主要特點如下。

（1）從原料熔化、引晶、形成溫度梯度，晶體生長到晶體退火整個晶體生長過程全部由電腦程序控制，無需人工操作干預，生產自動化程度較高，生產良率不會因人員變動而波動。

（2）晶體生長過程中與坩堝壁接觸，在晶體周邊較容易產生晶界缺陷。

（3）晶體生長過程為靜態的自下而上生長，整個生長外界擾動較小，長出的晶體致密度和硬度優于其他非靜態長晶法，且長出的晶體氣泡率較低。

（4）熱交換法可以生長定制化生長不同直徑和高度的藍寶石晶體，可根據最終產品的尺寸來設計坩堝的形狀和尺寸生長出定制化尺寸的藍寶石晶體，從而使晶體利用率最大化。

（5）設備條件要求精確度高，整個工藝復雜，晶體生長周期長，另外需要氦氣作冷卻劑，而且坩堝也是一次性的，成本相對較高。

（6）生長過程為等徑生長，長出的晶體形狀規則完整且尺寸較大，晶體利用率高，良率穩定，產能穩定，最適合規模化量產。

2 結論

總體來看，高品質、低成本的藍寶石晶體材料生長技術是世界各國關注的難點和重點，而大尺寸的藍寶石則是未來endprint