藍寶石介紹
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,其晶體結構為六方晶格結構.它常被應用的切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane.由于藍寶石的光學穿透帶很寬,從近紫外光(190nm)到中紅外線都具有很好的透光性.因此被大量用在光學元件、紅外裝置、高強度鐳射鏡片材料及光罩材料上，它具有高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、高透光性、熔點高（2045℃）等特點，它是一種相當難加工的材料，因此常被用來作為光電元件的材料。目前超高亮度白/藍光LED的品質取決于氮化鎵磊晶(GaN)的材料品質，而氮化鎵磊晶品質則與所使用的藍寶石基板表面加工品質息息相關，藍寶石(單晶Al2O3 )C面與Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉積薄膜之間的晶格常數失配率小，同時符合GaN 磊晶制程中耐高溫的要求，使得藍寶石晶片成為制作白/藍/綠光LED的關鍵材料.
藍寶石晶體的生長方法常用的有兩種:
1:柴氏拉晶法(Czochralski method),簡稱CZ法.先將原料加熱至熔點后熔化形成熔湯，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。
于是熔湯開始在晶種表面凝固并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，并伴隨以一定的轉速旋轉，隨著晶種的向上拉升，熔湯逐漸凝固于晶種的液固界面上，進而形成一軸對稱的單晶晶錠.
2:凱氏長晶法(Kyropoulos method),簡稱KY法,大陸稱之為泡生法.其原理與柴氏拉晶法(Czochralskimethod)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
(SeedCrystal，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(wěn)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.
藍寶石基片的原材料是晶棒,晶棒由藍寶石晶體加工而成.
廣大外延片廠家使用的藍寶石基片分為三種:
1:C-Plane藍寶石基板
這是廣大廠家普遍使用的供GaN生長的藍寶石基板面.這主要是因為藍寶石晶體沿C軸生長的工藝成熟、成本相對較低、物化性能穩(wěn)定,在C面進行磊晶的技術成熟穩(wěn)定.
2:R-Plane或M-Plane藍寶石基板
主要用來生長非極性/半極性面GaN外延薄膜,以提高發(fā)光效率.通常在藍寶石基板上制備的GaN外延膜是沿c軸生長的，而c軸是GaN的極性軸，導致GaN基器件有源層量子阱中出現(xiàn)很強的內建電場，發(fā)光效率會因此降低，發(fā)展非極性面GaN外延，克服這一物理現(xiàn)象，使發(fā)光效率提高。
3:圖案化藍寶石基板(Pattern Sapphire Substrate簡稱PSS)
以成長(Growth)或蝕刻(Etching)的方式,在藍寶石基板上設計制作出納米級特定規(guī)則的微結構圖案藉以控制LED之輸出光形式，并可同時減少生長在藍寶石基板上GaN之間的差排缺陷，改善磊晶質量，并提升LED內部量子效率、增加光萃取效率。
C-Plane藍寶石基板是普遍使用的藍寶石基板.1993年日本的赤崎勇教授與當時在日亞化學的中村修二博士等人，突破了InGaN 與藍寶石基板晶格不匹配（緩沖層）、p 型材料活化等等問題后，終于在1993 年底日亞化學得以首先開發(fā)出藍光LED.以后的幾年里日亞化學以藍寶石為基板,使用InGaN材料,通過MOCVD 技術并不斷加以改進藍寶石基板與磊晶技術,提高藍光的發(fā)光效率,同時1997年開發(fā)出紫外LED，1999年藍紫色LED樣品開始出貨，2001年開始提供白光LED。從而奠定了日亞化學在LED領域的先頭地位.
臺灣緊緊跟隨日本的LED技術,臺灣LED的發(fā)展先是從日本購買外延片加工,進而買來MOCVD機臺和藍寶石基板來進行磊晶,之后臺灣本土廠商又對藍寶石晶體的生長和加工技術進行研究生產,通過自主研發(fā),取得LED專利授權等方式從而實現(xiàn)藍寶石晶體,基板,外延片的生產,外延片的加工等等自主的生產技術能力,一步一步奠定了臺灣在LED上游業(yè)務中的重要地位.
目前大部分的藍光/綠光/白光LED產品都是以日本臺灣為代表的使用藍寶石基板進行MOCVD磊晶生產的產品.使得藍寶石基板有很大的普遍性,以美國Cree公司使用SiC為基板為代表的LED產品則跟隨其后.
以蝕刻(在藍寶石C面干式蝕刻/濕式蝕刻)的方式,在藍寶石基板上設計制作出微米級或納米級的具有微結構特定規(guī)則的圖案,藉以控制LED之輸出光形式(藍寶石基板上的凹凸圖案會產生光散射或折射的效果增加光的取出率),同時GaN薄膜成長于圖案化藍寶石基板上會產生橫向磊晶的效果,減少生長在藍寶石基板強度。最新消息據稱非極性LED能使白光的發(fā)光效率提高兩倍.
由于無極性ＧａＮ具有比傳統(tǒng)c軸ＧａＮ更具有潛力來制作高效率元件,而許多國際大廠與研究單位都加大了對此類磊晶技術的研究與生產.因此對于R-plane 或M-Plane 藍寶石基板的需求與要求也是相應地增加.
外延片廠家因為技術及工藝的不同,對藍寶石基板的要求也不同,比如厚度,晶向等.
下面列出幾個廠家生產的藍寶石基板的一些基礎技術參數(以成熟的C面2英寸藍寶石基板為例子).更多的則是外延片廠家根據自身的技術特點以及所生產的外延片質量要求來向藍寶石基板廠家定制合乎自身使用要求的藍寶石基板.即客戶定制化.
分別為: A:臺灣桃園兆晶科技股份有限公司
B:臺灣新竹中美矽晶制品制品股份有限公司 C:美國 Crystal systems 公司 D:俄羅斯 Cradley Crystals公司
藍寶石（?-Al2O3）又稱白寶石，是世界上硬度僅次于金剛石的晶體材料。其結構中的氧原子以接近HCP（hexagonal closed packed）的方式排列，其中氧原子間的八面體配位約有2/3的空隙是由鋁原子所填充，由此使它具有強度、硬度高(莫氏硬度9)，耐高溫(熔點達2050℃)、耐磨擦、耐腐蝕能力強，化學性質穩(wěn)定，一般不溶于水，不受酸腐蝕，只有在高溫下(3000C以上)才能為氫氟酸(HF)、磷酸(H2PO4)以及熔化的苛性鉀(KOH)所侵蝕；且具有同氮化鎵等半導體材料結合匹配性好、光透性能、電絕緣性能優(yōu)良等一系列特性。
藍寶石單晶首先是作為紅外窗口材料而提出。因其具有優(yōu)良的光學、機械、化學和電性能，特別是具有中波紅外透過率高等特性，從0.190μm至5.5μm波段均具有很高的光學透過率，因此被廣泛用作微波電子管介質材料，超聲波傳導元件，延遲線，波導激光器腔體及精密儀器軸承，天平刀口等光學元件以及紅外軍事裝置、空間飛行器、高強度激光器的窗口材料。以白寶石單晶片為絕緣襯底材料的SOS器件則具有高集成度、高速度、低功耗和抗輻射能力強等優(yōu)點。近年來民用手表的表面大量使用白藍寶石，其特點是光潔度高、硬度高、耐磨損。
藍寶石單晶作為一種優(yōu)良透波材料，在紫外、可見光、紅外波段、微波都具有良好的透過率，可以滿足多模式復合制導（電視、紅外成像、雷達等）的要求，在軍事工業(yè)等領域被用作窗口材料及整流罩部件，在光電通訊領域作為重要的窗口材料使用。
藍寶石材料可以生長制備大尺寸的單晶，其內部缺陷很少，沒有晶界、孔隙等散射源，強度的損失很小，透波率很高，是目前透波部件的首選材料；此外，由于藍寶石電絕緣、透明、易導熱、硬度高，因此可以用來作為集成電路的襯底材料，可廣泛用于發(fā)光二極管（LED）及微電子電路，從而替代高價的氮化硅襯底，制作超高速集成電路；可以做成光學傳感器以及其它一些光學通信和光波導器件。如高溫高壓或真空容器的觀察窗、液晶顯示投影儀的散熱板、有害氣體檢測儀和火災監(jiān)測儀的窗口、光纖通訊接頭盒等。
藍寶石單晶制備的研究開始于19世紀末，1904年，法國人用熔焰法最先獲得了較大尺寸的藍寶石晶體，經過近百年的發(fā)展，制備藍寶石單晶的技術日趨完善。目前已有提拉法
（Czochrolski）、熔焰法（Vernuil）坩鍋移動法（Bridgman-Stockbarger)、溫度梯度法（TGT）、導模法（EFG）、熱交換法 (HEM)、水平定向凝固法（GHK）、泡生法（GOI）等多種制備方法，而適于生長大尺寸藍寶石單晶的技術主要有：熱交換法、水平定向凝固法、泡生法及溫度梯度法、及本項目所采用的冷心放肩微量提拉法等。
1993年，俄羅斯的S.I.Vavilov State Optical Institute研究所報道了采用GOI法合成φ300mm的藍寶石晶體。烏克蘭的單晶研究所（Institute for Single Crystal）采用定向凝固法制備了大我國藍寶石晶體的產業(yè)化屬起步階段，目前主要產品為中低檔產品，如用火焰法和提拉法制備直徑范圍在80mm以下的藍寶石晶體，晶體質量只有少部分能達到光學級水平，如：云南玉溪藍晶晶體有限公司、南京恒煉藍寶石表面有限公司、大連淡寧光電技術有限公司等企業(yè)；上海光學精密機械研究所導向溫梯法的產業(yè)化工作尚在起步階段，據報道能加工制造5英寸（125mm）以下的藍寶石晶體，由于受生長方向的限制，可加工基片直徑尺寸小于100mm,材料利用率較低。
在國際上能夠通過產業(yè)化生產制造直徑超過150mm大尺寸藍寶石晶體的國家只有美國和前蘇聯(lián)，有代表性的公司有：俄羅斯的Atlas公司、Monocrystal公司和Tydex等公司，生長出晶體尺寸最大為300mm，工藝方法為泡生法；美國的Crystal System Inc.是世界上最高水平的晶體制造公司，可生產φ300mm的大尺寸藍寶石單晶體，采用的工藝方法為熱交換法，其工藝成本較高。
我國晶體生長有悠久的歷史,但現(xiàn)代人工晶體的系統(tǒng)研發(fā)起步較晚。經近半個世紀的發(fā)展，已可生產制備直徑150mm的藍寶石晶體，由一個基本上是空白的領域上升到在國際上占有一席之地，來之不易。我國在晶體材料方面取得了大量研究成果，但大
尺寸藍寶石晶體材料的生長技術，高利用率、低成本的晶體材料成型及機械加工技術開發(fā)應用尚處于研制水平較低階段，對大多需求很難提供配套，更談不上批量生產，難以滿足供貨量和貨期的要求；大大的制約了相關領域的發(fā)展。
高品質、低成本的晶體材料生長技術是世界各國關注的難點和重點。從目前的技術水平來看，國際上能夠產業(yè)化制造直徑大于Φ200以上高品質藍寶石襯底材料的只有俄羅斯、美國等三家公司，由于藍寶石材料有著較強的軍工應用背景需求，因此各國均將該項技術列為高度機密內容，相關研究報道僅僅局限在工藝角度，針對藍寶石的特點和用途開發(fā)的專用設備及與之相配套的成型及機械加工技術的報道僅僅限于原理角度，我國在該方面的研究屬剛剛起步，在基礎理論、工藝、設備選配等方面的基礎和經驗幾乎為零。
目前國內現(xiàn)有的用于藍寶石晶體生長設備，是基于傳統(tǒng)方法和技術開發(fā)建設的實驗室級產品，無論從晶體質量、成本、工藝控制精度、工藝重現(xiàn)性、晶體尺寸、生產效率等方面均難以滿足產業(yè)化的需求。
從工藝角度，大尺寸藍寶石晶體生長周期長，工藝復雜。原材料純度、處理狀態(tài)、制備工藝參數等對晶體質量影響較大，需要針對不同工藝參數生長出晶體進行詳細的性能測試和微觀組織結構分析，在此基礎上給出進一步改進的工藝參數和技術措施，才能開始下一輪次的晶體生長，達到不斷優(yōu)化工藝，獲得高質量晶體材料的目的。然而大尺寸藍寶石晶體生長周期大大拖延了研究周期。
藍寶石晶體的硬度僅次于金剛石、為莫氏硬度9級，由于其脆性較大，很難加工，對于航空航天光電窗口而言，除了要求其表面光潔度較高（Ralt;0.3nm）外，關鍵要求其晶面軸線的方向必須與C軸沿M軸方向的偏差<0.2度，對定向精度要求極高，目前國際上產業(yè)化規(guī)模較大的企業(yè)采用的是高精度定向設備，配合相應的加工技術如：高速研磨、化學機械拋光、腐蝕研磨等技術，國內在藍寶石材料的高利用率、低成本加工技術方面尚屬剛剛起步，無成功經驗可以借鑒，是困擾我國藍寶石材料技術發(fā)展的技術難題和瓶頸。
困擾我國航空航天用高品質藍寶石窗口部件產業(yè)化的主要問題集中在以下幾個方面：
1.技術及裝備落后。
與美國、俄羅斯、烏克蘭等國相比，我國用來生長晶體的單晶爐大多技術原理方法落后，設備自動化程度低，晶體尺寸小，質量難以達到光學級水平，材料利用率低，成本高。產品市場競爭力弱。
2.藍寶石材料的低成本、高利用率成型及機械加工是技術瓶頸。
藍寶石材料硬度高、脆性大，半導體襯底材料加工需要定向精度在0.2度以內，并且晶軸的偏轉方向是固定的，國內傳統(tǒng)的藍寶石加工技術是采用切割后再滾圓，很難達到國際標準要求的定向、表面損傷層厚度的要求，目前國內的小批量加工技術問題較多，產品質量穩(wěn)定性、一致性差，并且質量檢驗標準與國際公認標準有明顯距離，產能、技術保障等的局限難以爭取長久的大用戶。
3.成果轉化及規(guī)模生產不足。
我國在晶體材料方面雖取得了一定的研究成果，但這些成果大多只能提供樣品，不能批量生產，難以創(chuàng)造更高經濟效益。即使能夠批量生產的產品，但加工尺寸及精度與國外相比均有較大差距，規(guī)�；a不足，對來自國內外的大訂單，一般難以滿足供貨量和貨期的要求。困擾我國航空航天用高品質藍寶石窗口部件產業(yè)化的主要問題集中在以下幾個方面：
1.技術及裝備落后。
與美國、俄羅斯、烏克蘭等國相比，我國用來生長晶體的單晶爐大多技術原理方法落后，設備自動化程度低，晶體尺寸小，質量難以達到光學級水平，材料利用率低，成本高。產品市場競爭力弱。
2.藍寶石材料的低成本、高利用率成型及機械加工是技術瓶頸。藍寶石材料硬度高、脆性大，半導體襯底材料加工需要定向精度在0.2度以內，并且晶軸的偏轉方向是固定的，國內傳統(tǒng)的藍寶石加工技術是采用切割后再滾圓，很難達到國際標準要求的定向、表面損傷層厚度的要求，目前國內的小批量加工技術問題較多，產品質量穩(wěn)定性、一致性差，并且質量檢驗標準與國際公認標準有明顯距離，產能、技術保障等的局限難以爭取長久的大用戶。
3.成果轉化及規(guī)模生產不足。
我國在晶體材料方面雖取得了一定的研究成果，但這些成果大多只能提供樣品，不能批量生產，難以創(chuàng)造更高經濟效益。即使能夠批量生產的產品，但加工尺寸及精度與國外相
供貨商名稱 所在地 晶棒產能(mm/m) 主要供應地區(qū)及規(guī)模
Monocrystal 俄羅斯 150K (2”) 歐、美、日本（3” 、4” 、6”）為主
Rubicon 美國 150K (2”) 臺灣（２”）、歐、美、日本（3” 、4” 、6”）
Kyocera 日本 200K (2”) 自給自足 Atlas等 俄羅斯 50K (2”)、 歐、美
STC 韓國 15K(2”) 韓國、臺灣
隨著對降低成本的要求，該部分市場的競爭會趨于白熱化，高技術、低成本將成為該類產品發(fā)展的主題。（文章來源：藍寶石應用）
