藍(lán)寶石(Sapphire)是一種氧化鋁(Al₂O₃)的單晶，其在機(jī)械性能、熱學(xué)性質(zhì)、光學(xué)以及化學(xué)性質(zhì)等方面都具有優(yōu)越特性，因此成為應(yīng)用廣泛的人工合成單晶材料。

目前藍(lán)寶石較為廣泛的應(yīng)用如下：

(1)由于藍(lán)寶石具有較高的硬度且可以在溫度范圍從超低溫至1500℃高溫之間的不同環(huán)境中保持高強(qiáng)度、耐磨耗以及高度的化學(xué)穩(wěn)定性，因此常作為精密機(jī)械的軸承材料；

(2)由于藍(lán)寶石的熔點(diǎn)在2000℃以上，并具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)與優(yōu)良的透光度，使得藍(lán)寶石所制作的鏡片和光學(xué)元件可以應(yīng)用于高溫高真空與其他復(fù)雜的環(huán)境中，例如高功率鐳射的透鏡材料、導(dǎo)彈彈頭光罩、航天材料以及應(yīng)用于輻射環(huán)境中的光學(xué)元件等；

(3)近年來(lái)材料與外延制程技術(shù)的提升，目前制作藍(lán)白光發(fā)光二極管（Lighting Emitting Diode，LED）所使用的基底材料也以藍(lán)寶石為主，由于藍(lán)白光LED具有壽命長(zhǎng)、消耗功率低、發(fā)光效率高等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為新一代的照明光源，因而制作藍(lán)白光LED基底的藍(lán)寶石在產(chǎn)業(yè)界需求量也大幅提升；

(4)在微電子領(lǐng)域，可以應(yīng)用于GaN的外延片、SOS微電子電路、其它材料的外延片以及光學(xué)元件等等。

藍(lán)寶石襯底

隨著半導(dǎo)體、航空航天等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，現(xiàn)在對(duì)藍(lán)寶石晶體的尺寸和質(zhì)量都有了新的更高的要求，美國(guó)的LIGO計(jì)劃中的分光透鏡所使用的藍(lán)寶石晶體材料的光透過(guò)率>80%。因此，藍(lán)寶石晶體正朝著尺寸越來(lái)越大，光學(xué)均勻性和工作波段透過(guò)率越來(lái)越好的方向發(fā)展。

另外，藍(lán)寶石品體尺寸越大，其材料利用率越大，單位成本也越低。因此生長(zhǎng)高品質(zhì)、低成本、大尺寸藍(lán)寶石晶體是當(dāng)前迫切發(fā)展的趨勢(shì)。

藍(lán)寶石晶體制備技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，藍(lán)寶石晶體主要從晶體缺陷、晶體尺寸和晶體形狀等方面去滿足特定的規(guī)格要求。與此同時(shí)，如何提高晶體成品率并降低生產(chǎn)成本成為藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)技術(shù)的研究方向。

目前常用的生長(zhǎng)方法主要有泡生法、熱交換法、提拉法、溫度梯度法、冷心放肩微量提拉法等，也有很多針對(duì)上述方法的改進(jìn)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礎(chǔ)上，吸收兩種方法的優(yōu)點(diǎn)并加以利用。

藍(lán)寶石晶體的生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展

1. 提拉法（CZ）

提拉法是先將氧化鋁原料加熱至熔點(diǎn)使之熔化形成熔體，再利用一單晶棒作為晶種(Seed)降下高度使下面端面逐漸接觸到熔體表面，在晶種與熔體的固液界面上會(huì)有一定的溫度差。由于溫度梯度的作用，熔體開(kāi)始在晶種表面凝固并生長(zhǎng)和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的藍(lán)寶石單晶。晶種同時(shí)以極為緩慢的速度向上拉升，并伴隨著一定的旋轉(zhuǎn)，熔體逐漸結(jié)晶于晶種與熔體之間的固液界面上，最后生長(zhǎng)成藍(lán)寶石單晶晶棒。

在目前的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，CZ法是最常用到的晶體生長(zhǎng)方法，由于它能生長(zhǎng)出較大直徑的晶體，所以大約85%的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)都用CZ法來(lái)生長(zhǎng)單晶棒，但是利用CZ法來(lái)生長(zhǎng)單晶棒容易使晶棒有雜質(zhì)濃度分布不均勻現(xiàn)象，所以此方法所生長(zhǎng)的晶體只適合運(yùn)用在低功率的集成電路元件中。

提拉法示意圖

2. 溫度梯度法（TGT）

溫度梯度法(Temperature gradient technique，TGT)是實(shí)現(xiàn)用定向籽晶來(lái)誘導(dǎo)藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)，熔體沿著籽晶晶體結(jié)構(gòu)的原子排列結(jié)晶長(zhǎng)出藍(lán)寶石晶體。溫度梯度法長(zhǎng)晶裝置包括隔熱板、熱元件、坩堝、石墨電極以及冷卻水管，籽晶槽位于坩堝底部，溫場(chǎng)由石墨發(fā)熱體和冷卻裝置共同提供。

藍(lán)寶石籽晶

3. 熱交換法（HEM）

熱交換法（HEM）的原理是利用熱交換器來(lái)帶走熱量，使得晶體生長(zhǎng)區(qū)內(nèi)形成一上熱下冷的縱向溫度梯度，同時(shí)借由控制交換器內(nèi)的氣體流量大小以及改變加熱功率的高低來(lái)控制坩堝內(nèi)的溫度梯度，借此達(dá)成坩堝內(nèi)熔湯由下慢慢向上凝固成晶體的目的。

由于此方法是在密閉的坩堝內(nèi)進(jìn)行單晶生長(zhǎng)，這樣生長(zhǎng)的晶體較不容易受到爐體的污染，而且晶體由下往上凝固，使熔湯內(nèi)的雜質(zhì)因形成熔渣而漂浮在上方，比較不會(huì)溶入晶體內(nèi)部，只要在將生長(zhǎng)所得的晶體上方切除即可清除，可得較為純凈的晶體，并且可得較大的藍(lán)寶石單晶，最大可達(dá)80kg。

熱交換法單晶爐示意圖

4. 定邊模喂法(EFG)

定邊模喂法也稱(chēng)導(dǎo)模法(Edge-defined Film-fed Growth，EFG)，將氧化鋁原料填料于銥坩堝中，通過(guò)射頻感應(yīng)線圈加熱原料使之熔化成熔體，并在坩堝中放置一個(gè)銥材料的模具，通過(guò)毛細(xì)作用讓熔體攤平于銥制模具的上方表面，形成一薄膜，放下晶種使之碰觸到薄膜，于是薄膜在晶種的端面上結(jié)晶成與晶種相同結(jié)構(gòu)的單晶。晶種再緩慢往上拉升，逐漸生長(zhǎng)單晶，同時(shí)由坩堝中供應(yīng)熔湯補(bǔ)充薄膜，由于此薄膜之邊緣受到銥?zāi)Ｋ薅?，并扮演持續(xù)喂料以供晶體生長(zhǎng)之用，所以稱(chēng)為限定邊緣模喂法，簡(jiǎn)稱(chēng)導(dǎo)模法。

5. 冷心放肩微量提拉法(SAPMAC)

冷心放肩微量提拉法綜合了泡生法和提拉法的優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)溫場(chǎng)設(shè)計(jì)加以創(chuàng)新，從而形成一種新的藍(lán)寶石長(zhǎng)晶方法。采用SAPMAC法生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶，其晶體直徑可以生長(zhǎng)到比坩堝內(nèi)徑略小10-30mm的尺寸（一般生長(zhǎng)30kg級(jí)藍(lán)寶石晶體的坩堝內(nèi)徑為20-22cm）。

將籽晶利用鎢線固定在籽晶桿，籽晶桿與熱交換器相連，并帶動(dòng)晶體的旋轉(zhuǎn)和上下提拉，熱交換器、晶體和熔體之間會(huì)通過(guò)冷卻水進(jìn)行熱量交換，并將熱量帶走。通過(guò)冷卻水系統(tǒng)可以為晶體生長(zhǎng)提供一個(gè)穩(wěn)定、均勻的溫場(chǎng)環(huán)境?？赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)熱交換器中水的溫度、流量和加熱溫度精確控制溫場(chǎng)中的溫度梯度，形成晶體與熔體之間的過(guò)冷，從而完成晶體生長(zhǎng)。值得注意的是，冷心放肩微量提拉法在晶體生長(zhǎng)自動(dòng)化控制方面不太理想，因而在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中過(guò)多的引入人為因素，進(jìn)而影響晶體生長(zhǎng)質(zhì)量，加大產(chǎn)生晶體缺陷的幾率。

6. 泡生法（KY)

泡生法的原理與提拉法類(lèi)似，同樣先將氧化鋁原料加熱至熔點(diǎn)使之熔化形成熔體，再用藍(lán)寶石單晶晶種接觸到熔體表面試探熔體溫度是否適合晶體生長(zhǎng)。下晶種之后，籽晶同樣以極緩慢的速度向上拉升，但在晶種往上拉晶一段時(shí)間后，待熔體與晶種界面的凝固速率穩(wěn)定后，同時(shí)所長(zhǎng)出的晶體逐漸沾黏到坩堝內(nèi)壁時(shí)，晶種不再拉升，在整個(gè)過(guò)程中晶種并不像提拉法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，僅以控制冷卻速率方式使單晶從上方逐漸往下凝固，最后凝固成一個(gè)單晶錠。

目前國(guó)內(nèi)外多數(shù)生長(zhǎng)藍(lán)寶石廠商主要也是采用泡生法或改良泡生法來(lái)生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶。泡生法在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，因?yàn)槌司ьi需要加以拉升以外，其余部分只需控制溫度（電壓）的變化，即可使晶體長(zhǎng)晶完成，減少了向上拉升和旋轉(zhuǎn)的外力干擾，機(jī)械應(yīng)力較小，因而所獲得的晶體品質(zhì)較佳也較易于控制，其產(chǎn)出晶體缺陷密度遠(yuǎn)低于提拉法生長(zhǎng)的晶體，符合產(chǎn)業(yè)界的要求。

泡生法裝置示意圖

7.改良泡生法（IKY)

改良泡生法（Improved Kyropoulos Method，IKY)是基于Menisk現(xiàn)象對(duì)泡生法生長(zhǎng)藍(lán)寶石晶體的下晶種和拉晶頸技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，并配以先進(jìn)的藍(lán)寶石長(zhǎng)晶控制系統(tǒng)來(lái)生長(zhǎng)藍(lán)寶石晶體的方法。與泡生法相比，改良泡生法對(duì)泡生法的改進(jìn)主要在于下晶種和拉晶頸技術(shù)的改進(jìn)以及長(zhǎng)晶爐控制系統(tǒng)的創(chuàng)新。改良泡生法生長(zhǎng)的藍(lán)寶石晶體良率更高，晶體缺陷更少，整個(gè)長(zhǎng)晶控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定，能夠生長(zhǎng)大尺寸高質(zhì)量的藍(lán)寶石晶體，滿足LED產(chǎn)業(yè)的藍(lán)寶石襯底要求。在提高藍(lán)寶石晶體成品率的同時(shí)，又降低了產(chǎn)品的價(jià)格，成為產(chǎn)業(yè)界廣泛推廣的藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)技術(shù)。

大尺寸藍(lán)寶石單晶

綜上所述，幾種藍(lán)寶石生長(zhǎng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如下表：

總結(jié)

以上這些藍(lán)寶石長(zhǎng)晶方法中，泡生法、冷心放肩微量提拉法和熱交換法都可以生長(zhǎng)大尺寸的藍(lán)寶石單晶。著眼于低成本、高質(zhì)量和大尺寸的發(fā)展思路，目前多采用對(duì)泡生法進(jìn)行改進(jìn)，創(chuàng)新藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)和下晶種技術(shù)，從而在泡生法基礎(chǔ)上形成一種新的藍(lán)寶石長(zhǎng)晶方法，即改良泡生法。當(dāng)前，泡生法或者基于泡生法的改進(jìn)方法生長(zhǎng)的藍(lán)寶石晶體市場(chǎng)占有率達(dá)到80%以上，一定時(shí)間內(nèi)都將是藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)的主流方法。

參考來(lái)源：

1. 改良泡生法生長(zhǎng)大尺寸藍(lán)寶石晶體的研究及應(yīng)用，張燕飛（北京大學(xué)）；

2. 改良泡生法生長(zhǎng)720 kg級(jí)大尺寸藍(lán)寶石晶體，康森、魯雅榮、石天虎、滕斌、寬軍、李―璐、郝文娟、段斌斌（1.天通銀廈新材料有限公司；2.天通控股股份有限公司）；

3. 導(dǎo)模法生長(zhǎng)超大尺寸藍(lán)寶石板材的研究，王東海、徐軍、李東振、王慶國(guó)、羅平、董建樹(shù)、潘燕萍（1.同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院；2.南京同溧晶體材料研究院；3.常州市樂(lè)萌壓力容器有限公司）。

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