蓝宝石(Sapphire)是一种的单(dan)(dan)晶(jing)，其在机械(xie)性(xing)(xing)能、热学性(xing)(xing)质(zhi)(zhi)、光学以及化学性(xing)(xing)质(zhi)(zhi)等方(fang)面都具(ju)有优(you)越(yue)特性(xing)(xing)，因(yin)此成为应用广(guang)泛的人工合(he)成单(dan)(dan)晶(jing)材料。
目前蓝宝石较为(wei)广(guang)泛(fan)的(de)应用如下(xia)：
(1)由于蓝宝石具有较高的硬度且可以在温度范围从超低温至1500℃高温之间的不同环境中保持高强度、耐磨耗以及高度的化学稳定性，因此常作为精密机械的轴承材料；
(2)由于蓝宝石的熔点在2000℃以上，并具有稳定的化学性质与优良的透光度，使得蓝宝石所制作的镜片和光学元件可以应用于高温高真空与其他复杂的环境中，例如高功率镭射的透镜材料、导弹弹头光罩、航天材料以及应用于辐射环境中的光学元件等；
(3)近年来材(cai)料(liao)与(yu)外延制(zhi)程技术的(de)提升，目前制(zhi)作蓝白光(guang)(guang)(guang)发光(guang)(guang)(guang)二极管（Lighting Emitting Diode，LED）所使(shi)用的(de)基底材(cai)料(liao)也以蓝宝石(shi)为主，由于蓝白光(guang)(guang)(guang)LED具(ju)有寿命长(zhang)、消耗功率(lv)低、发光(guang)(guang)(guang)效率(lv)高等优(you)势，已经成为新一代的(de)照明光(guang)(guang)(guang)源，因而制(zhi)作蓝白光(guang)(guang)(guang)LED基底的(de)蓝宝石(shi)在(zai)产业界(jie)需求量也大幅(fu)提升；
(4)在微电(dian)(dian)子领域，可(ke)以应(ying)用(yong)于GaN的外延(yan)片(pian)、SOS微电(dian)(dian)子电(dian)(dian)路(lu)、其它材料(liao)的外延(yan)片(pian)以及光学元件等(deng)(deng)等(deng)(deng)。
蓝宝石衬底
随着半导体、航空航天等领域的飞速发展，现在对蓝宝石晶体的尺寸和质量都有了新的更高的要求，美国的LIGO计划中的分光透镜所使用的蓝宝石晶体材料的光透过率>80%。因此，蓝宝石晶体正朝着尺寸越来越大，光学均匀性和工作波段透过率越来越好的方向发展。
另外(wai)，蓝宝石(shi)品(pin)体尺寸越大，其材料利用率越大，单位成(cheng)本也(ye)越低(di)(di)。因此生长高(gao)品(pin)质(zhi)、低(di)(di)成(cheng)本、大尺寸蓝宝石(shi)晶体是(shi)当前迫(po)切发展的(de)趋势(shi)。
蓝宝石晶(jing)体制备技(ji)术(shu)
随着科学技术的不断发展，蓝宝石晶体主要从晶体缺陷、晶体尺寸和晶体形状等方面去满足特定的规格要求。与此同时，如何提高晶体成品率并降低生产成本成为蓝宝石晶体生长技术的研究方向。
目前常用的生长方法主要有泡生法、热交换法、提拉法、温度梯度法、冷心放肩微量提拉法等，也有很多针对上述方法的改进方法。例如，冷心放肩微量提拉法就是在提拉法和泡生法的基础上，吸收两种方法的优点并加以利用。
蓝(lan)宝石晶(jing)体的(de)生长技术发(fa)展(zhan)
1. 提拉法（CZ）
提拉法是先将氧化铝原料加热至熔点使之熔化形成熔体，再利用一单晶棒作为晶种(Seed)降下高度使下面端面逐渐接触到熔体表面，在晶种与熔体的固液界面上会有一定的温度差。由于温度梯度的作用，熔体开始在晶种表面凝固并生长和晶种相同晶体结构的蓝宝石单晶。晶种同时以极为缓慢的速度向上拉升，并伴随着一定的旋转，熔体逐渐结晶于晶种与熔体之间的固液界面上，最后生长成蓝宝石单晶晶棒。
在目前的半导体产业中，CZ法是最常用到的晶体生长方法，由于它能生长出较大直径的晶体，所以大约85%的半导体产业都用CZ法来生长单晶棒，但是利用CZ法来生长单晶棒容易使晶棒有杂质浓度分布不均匀现象，所以此方法所生长的晶体只适合运用在低功率的集成电路元件中。
提拉法示意图
2. 温度(du)梯度(du)法（TGT）
温度梯度法(Temperature gradient technique，TGT)是实现用定向籽晶来诱导蓝宝石单晶生长，熔体沿着籽晶晶体结构的原子排列结晶长出蓝宝石晶体。温度梯度法长晶装置包括隔热板、热元件、坩埚、石墨电极以及冷却水管，籽晶槽位于坩埚底部，温场由石墨发热体和冷却装置共同提供。
蓝宝石籽晶
3. 热交换(huan)法（HEM）
热交换法（HEM）的原理是利用热交换器来带走热量，使得晶体生长区内形成一上热下冷的纵向温度梯度，同时借由控制交换器内的气体流量大小以及改变加热功率的高低来控制坩埚内的温度梯度，借此达成坩埚内熔汤由下慢慢向上凝固成晶体的目的。
由于此方法是在(zai)(zai)密闭的(de)坩埚内进行单晶(jing)生(sheng)长，这样生(sheng)长的(de)晶(jing)体(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)较(jiao)(jiao)不容易受(shou)到(dao)炉体(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)污(wu)染，而且(qie)晶(jing)体(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)由下往上凝(ning)固，使熔汤(tang)内的(de)杂质因(yin)形成熔渣(zha)而漂浮在(zai)(zai)上方，比(bi)较(jiao)(jiao)不会溶(rong)入晶(jing)体(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)内部，只要在(zai)(zai)将生(sheng)长所得的(de)晶(jing)体(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)上方切(qie)除即可(ke)清除，可(ke)得较(jiao)(jiao)为纯(chun)净的(de)晶(jing)体(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)，并(bing)且(qie)可(ke)得较(jiao)(jiao)大的(de)蓝(lan)宝石单晶(jing)，最大可(ke)达(da)80kg。
热(re)交换法单晶炉示意图
4. 定边模喂(wei)法(EFG)
定边(bian)模喂法也称(cheng)导模法(Edge-defined Film-fed Growth，EFG)，将氧化(hua)铝原(yuan)料(liao)填料(liao)于(yu)铱(yi)(yi)坩(gan)埚(guo)中(zhong)(zhong)，通过(guo)射频感(gan)应线圈加热原(yuan)料(liao)使之(zhi)熔(rong)(rong)化(hua)成(cheng)熔(rong)(rong)体(ti)，并在坩(gan)埚(guo)中(zhong)(zhong)放(fang)置一个铱(yi)(yi)材(cai)料(liao)的(de)(de)模具，通过(guo)毛细作(zuo)用(yong)让熔(rong)(rong)体(ti)摊平(ping)于(yu)铱(yi)(yi)制模具的(de)(de)上方(fang)表面，形成(cheng)一薄膜(mo)(mo)，放(fang)下晶种(zhong)使之(zhi)碰触到薄膜(mo)(mo)，于(yu)是(shi)薄膜(mo)(mo)在晶种(zhong)的(de)(de)端面上结(jie)晶成(cheng)与晶种(zhong)相同(tong)结(jie)构的(de)(de)单晶。晶种(zhong)再缓慢往上拉升(sheng)，逐渐生(sheng)长单晶，同(tong)时由(you)(you)坩(gan)埚(guo)中(zhong)(zhong)供(gong)(gong)应熔(rong)(rong)汤(tang)补充(chong)薄膜(mo)(mo)，由(you)(you)于(yu)此薄膜(mo)(mo)之(zhi)边(bian)缘受(shou)到铱(yi)(yi)模所限(xian)定，并扮演(yan)持续喂料(liao)以供(gong)(gong)晶体(ti)生(sheng)长之(zhi)用(yong)，所以称(cheng)为限(xian)定边(bian)缘模喂法，简称(cheng)导模法。
5. 冷心放肩微量提拉法(SAPMAC)
冷心放肩微量提拉法综合了泡生法和提拉法的优点，并对温场设计加以创新，从而形成一种新的蓝宝石长晶方法。采用SAPMAC法生长蓝宝石单晶，其晶体直径可以生长到比坩埚内径略小10-30mm的尺寸（一般生长30kg级蓝宝石晶体的坩埚内径为20-22cm）。
将籽(zi)晶(jing)(jing)(jing)利用钨线固定(ding)在籽(zi)晶(jing)(jing)(jing)杆，籽(zi)晶(jing)(jing)(jing)杆与热(re)(re)交(jiao)换(huan)(huan)(huan)器(qi)相(xiang)连，并(bing)带(dai)动晶(jing)(jing)(jing)体(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)旋(xuan)转和上(shang)下(xia)提拉，热(re)(re)交(jiao)换(huan)(huan)(huan)器(qi)、晶(jing)(jing)(jing)体(ti)(ti)(ti)(ti)和熔体(ti)(ti)(ti)(ti)之间会通过(guo)冷却水(shui)进行热(re)(re)量交(jiao)换(huan)(huan)(huan)，并(bing)将热(re)(re)量带(dai)走。通过(guo)冷却水(shui)系(xi)统可以为晶(jing)(jing)(jing)体(ti)(ti)(ti)(ti)生(sheng)(sheng)长(zhang)提供一个(ge)稳定(ding)、均匀的(de)温(wen)(wen)场环境。可通过(guo)调节热(re)(re)交(jiao)换(huan)(huan)(huan)器(qi)中水(shui)的(de)温(wen)(wen)度、流量和加热(re)(re)温(wen)(wen)度精确控制温(wen)(wen)场中的(de)温(wen)(wen)度梯(ti)度，形成(cheng)晶(jing)(jing)(jing)体(ti)(ti)(ti)(ti)与熔体(ti)(ti)(ti)(ti)之间的(de)过(guo)冷，从(cong)而(er)完成(cheng)晶(jing)(jing)(jing)体(ti)(ti)(ti)(ti)生(sheng)(sheng)长(zhang)。值得(de)注意(yi)的(de)是，冷心放肩微量提拉法在晶(jing)(jing)(jing)体(ti)(ti)(ti)(ti)生(sheng)(sheng)长(zhang)自动化控制方面不太理(li)想(xiang)，因(yin)而(er)在晶(jing)(jing)(jing)体(ti)(ti)(ti)(ti)生(sheng)(sheng)长(zhang)过(guo)程(cheng)中过(guo)多的(de)引入人为因(yin)素，进而(er)影响晶(jing)(jing)(jing)体(ti)(ti)(ti)(ti)生(sheng)(sheng)长(zhang)质量，加大产生(sheng)(sheng)晶(jing)(jing)(jing)体(ti)(ti)(ti)(ti)缺陷的(de)几率。
6. 泡生法（KY)
泡生(sheng)(sheng)法(fa)的(de)原(yuan)理与提拉(la)法(fa)类似，同样先将(jiang)氧化铝原(yuan)料加热至熔(rong)(rong)点使之熔(rong)(rong)化形成(cheng)熔(rong)(rong)体(ti)(ti)，再用蓝宝石单晶(jing)(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)(jing)种(zhong)(zhong)(zhong)接触到(dao)熔(rong)(rong)体(ti)(ti)表面试探熔(rong)(rong)体(ti)(ti)温度(du)是(shi)否适合晶(jing)(jing)(jing)(jing)体(ti)(ti)生(sheng)(sheng)长。下晶(jing)(jing)(jing)(jing)种(zhong)(zhong)(zhong)之后，籽晶(jing)(jing)(jing)(jing)同样以极缓慢的(de)速度(du)向上拉(la)升，但在晶(jing)(jing)(jing)(jing)种(zhong)(zhong)(zhong)往(wang)上拉(la)晶(jing)(jing)(jing)(jing)一段(duan)时(shi)间后，待(dai)熔(rong)(rong)体(ti)(ti)与晶(jing)(jing)(jing)(jing)种(zhong)(zhong)(zhong)界面的(de)凝固(gu)速率稳定后，同时(shi)所长出的(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)体(ti)(ti)逐渐沾黏到(dao)坩(gan)埚(guo)内壁时(shi)，晶(jing)(jing)(jing)(jing)种(zhong)(zhong)(zhong)不(bu)再拉(la)升，在整个过程(cheng)中晶(jing)(jing)(jing)(jing)种(zhong)(zhong)(zhong)并不(bu)像(xiang)提拉(la)法(fa)进行旋转，仅以控制冷却速率方式(shi)使单晶(jing)(jing)(jing)(jing)从上方逐渐往(wang)下凝固(gu)，最后凝固(gu)成(cheng)一个单晶(jing)(jing)(jing)(jing)锭(ding)。
目前国内外多数生长(zhang)蓝宝石厂商主要也是采(cai)用(yong)泡生法(fa)(fa)或(huo)改良泡生法(fa)(fa)来(lai)生长(zhang)蓝宝石单晶。泡生法(fa)(fa)在(zai)晶体(ti)生长(zhang)过程(cheng)中，因为除了(le)晶颈需要加以拉(la)升(sheng)以外，其余部分只需控制温(wen)度（电压(ya)）的(de)变化，即可(ke)使晶体(ti)长(zhang)晶完成，减少了(le)向上拉(la)升(sheng)和旋转的(de)外力干(gan)扰，机械应(ying)力较小，因而所(suo)获(huo)得的(de)晶体(ti)品质较佳也较易于(yu)控制，其产出晶体(ti)缺(que)陷(xian)密度远(yuan)低于(yu)提(ti)拉(la)法(fa)(fa)生长(zhang)的(de)晶体(ti)，符合产业界的(de)要求。
泡生法装置示意图(tu)
7.改良泡生法（IKY)
改良泡生法（Improved Kyropoulos Method，IKY)是基于Menisk现象对泡生法生长蓝宝石晶体的下晶种和拉晶颈技术进行改进，并配以先进的蓝宝石长晶控制系统来生长蓝宝石晶体的方法。与泡生法相比，改良泡生法对泡生法的改进主要在于下晶种和拉晶颈技术的改进以及长晶炉控制系统的创新。改良泡生法生长的蓝宝石晶体良率更高，晶体缺陷更少，整个长晶控制系统更加稳定，能够生长大尺寸高质量的蓝宝石晶体，满足LED产业的蓝宝石衬底要求。在提高蓝宝石晶体成品率的同时，又降低了产品的价格，成为产业界广泛推广的蓝宝石晶体生长技术。
大尺寸蓝(lan)宝石单晶
综(zong)上所(suo)述(shu)，几种(zhong)蓝宝石生长技(ji)术的优缺点对(dui)比(bi)如下(xia)表：
总结(jie)
以上(shang)这(zhei)些蓝宝(bao)(bao)石(shi)(shi)(shi)长(zhang)(zhang)(zhang)晶(jing)(jing)方(fang)法(fa)(fa)(fa)中，泡(pao)生(sheng)法(fa)(fa)(fa)、冷心放肩微量提拉法(fa)(fa)(fa)和(he)热(re)交换法(fa)(fa)(fa)都(dou)可以生(sheng)长(zhang)(zhang)(zhang)大尺寸(cun)的蓝宝(bao)(bao)石(shi)(shi)(shi)单(dan)晶(jing)(jing)。着眼于低成本(ben)、高质量和(he)大尺寸(cun)的发展思路，目前(qian)多采用对泡(pao)生(sheng)法(fa)(fa)(fa)进(jin)行改(gai)(gai)(gai)进(jin)，创新蓝宝(bao)(bao)石(shi)(shi)(shi)长(zhang)(zhang)(zhang)晶(jing)(jing)炉自(zi)动(dong)化控制系统(tong)和(he)下(xia)晶(jing)(jing)种技术(shu)，从而在泡(pao)生(sheng)法(fa)(fa)(fa)基础上(shang)形成一种新的蓝宝(bao)(bao)石(shi)(shi)(shi)长(zhang)(zhang)(zhang)晶(jing)(jing)方(fang)法(fa)(fa)(fa)，即改(gai)(gai)(gai)良(liang)泡(pao)生(sheng)法(fa)(fa)(fa)。当前(qian)，泡(pao)生(sheng)法(fa)(fa)(fa)或者基于泡(pao)生(sheng)法(fa)(fa)(fa)的改(gai)(gai)(gai)进(jin)方(fang)法(fa)(fa)(fa)生(sheng)长(zhang)(zhang)(zhang)的蓝宝(bao)(bao)石(shi)(shi)(shi)晶(jing)(jing)体(ti)市(shi)场占有率达到80%以上(shang)，一定(ding)时间内都(dou)将是(shi)蓝宝(bao)(bao)石(shi)(shi)(shi)晶(jing)(jing)体(ti)生(sheng)长(zhang)(zhang)(zhang)的主流方(fang)法(fa)(fa)(fa)。
参考来源(yuan)：
1. 改良泡生法生长大尺寸蓝宝(bao)石晶体的研(yan)究及(ji)应用，张(zhang)燕飞（北(bei)京(jing)大学）；
2. 改良泡生法生长720 kg级大(da)尺寸(cun)蓝宝(bao)石晶体，康森、鲁(lu)雅荣、石天(tian)虎、滕斌(bin)、宽军、李―璐、郝(hao)文娟(juan)、段斌(bin)斌(bin)（1.天(tian)通银(yin)厦新材料有限公司(si)；2.天(tian)通控股(gu)股(gu)份有限公司(si)）；
3. 导模法生长超大尺寸蓝(lan)宝石(shi)板(ban)材的研究(jiu)，王(wang)东(dong)海、徐军、李(li)东(dong)振、王(wang)庆国、罗平、董建树、潘燕萍（1.同济大学(xue)物理科学(xue)与(yu)工程(cheng)学(xue)院；2.南京(jing)同溧(li)晶体(ti)(ti)材料(liao)研究(jiu)院；3.常州市乐(le)萌(meng)压力(li)容器有限公司）。
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