消費(fèi)類電子產(chǎn)品用藍(lán)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(lán)寶石單晶由于其優(yōu)良的綜合性能而成為當(dāng)前重要的技術(shù)晶體材料之一，在軍用和民用等各個領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用，尤其最近幾年手機(jī)終端廠家計劃將藍(lán)寶石晶體材料導(dǎo)入智能手機(jī)等消費(fèi)類電子的設(shè)計和制造。本文簡述了藍(lán)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(lán)寶石單晶生長方法并對比分析了每種方法的特點(diǎn)，最后概括了藍(lán)寶石單晶目前及今后的主要發(fā)展方向，指出未來消費(fèi)類電子產(chǎn)品對藍(lán)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(diǎn)分析后，得出熱交換藍(lán)寶石長晶法最合適規(guī)?；慨a(chǎn)，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(chǎn)成本，是最適合手機(jī)等消費(fèi)類電子產(chǎn)品的長晶方法，符合未來市場需求。

關(guān)鍵詞：消費(fèi)類電子 藍(lán)寶石手機(jī)蓋板 泡生法 大尺寸藍(lán)寶石單晶 熱交換法

中圖分類號：O78 文獻(xiàn)標(biāo)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(lán)寶石化學(xué)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(jié)合而成的晶體，其晶體結(jié)構(gòu)為六方晶格結(jié)構(gòu)。分為天然藍(lán)寶石晶體和人工藍(lán)寶石晶體。藍(lán)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(tǒng)稱，并非只有藍(lán)色的氧化鋁晶體才叫做藍(lán)寶石。

自然界中的天然藍(lán)寶石晶體，晶體內(nèi)往往含有微量的雜質(zhì)元素使晶體顯示出不同的顏色。當(dāng)晶體內(nèi)含有鈦離子（Ti3+）與鐵離子（Fe3+）時，會使晶體呈現(xiàn)藍(lán)色，而成為藍(lán)色藍(lán)寶石（Blue Sapphire）。當(dāng)晶體內(nèi)含有鉻離子（Cr3+）時，會使晶體呈現(xiàn)紅色，而成為紅寶石（Ruby）。又當(dāng)晶體內(nèi)含有鎳離子（Ni3+）時，會使晶體呈現(xiàn)黃色，而成為黃色藍(lán)寶石。自然界的天然藍(lán)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(shè)計制造。

人工藍(lán)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(jìn)坩堝中，在一定溫度下經(jīng)過熔融再結(jié)晶從而形成具有一定形狀和尺寸的人工藍(lán)寶石晶體。人工藍(lán)寶石晶體材料的物理化學(xué)性能優(yōu)異，具有廣泛的應(yīng)用場景。藍(lán)寶石的化學(xué)穩(wěn)定性：藍(lán)寶石具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性，在絕大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)過程中都不會被腐蝕。藍(lán)寶石的機(jī)械特性：藍(lán)寶石具有高硬度和高強(qiáng)度，可以在溫度范圍從超低溫到1500℃高溫之間的不同環(huán)境中保持高強(qiáng)度、耐磨耗與高度的穩(wěn)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(dá)到莫氏9級[1]。藍(lán)寶石的光學(xué)特性：藍(lán)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(lán)寶石窗口片可見光透過率86%以上，可廣泛應(yīng)用于各類光學(xué)窗口產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)。藍(lán)寶石晶體垂直于C向和平行于C向的介電常數(shù)為分別為9.3和11.5，是玻璃材料的2倍左右，用藍(lán)寶石晶體制作的觸摸顯示屏靈敏度極高。用藍(lán)寶石人工晶體制成的窗口片其四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度可以達(dá)到1000MPa以上，是目前玻璃產(chǎn)品強(qiáng)度的1.5倍以上，同時由于藍(lán)寶石晶體熱導(dǎo)率是玻璃的2倍，其散熱速率是玻璃材料的2倍。endprint

由于藍(lán)寶石人工材料在強(qiáng)度、耐磨性、耐劃傷性、觸摸靈敏度等方面的性能完全優(yōu)于目前的玻璃材料，因此美國蘋果公司提出計劃將藍(lán)寶石新材料導(dǎo)入智能手機(jī)屏幕蓋板產(chǎn)業(yè)。而人工藍(lán)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(jī)屏幕蓋板等消費(fèi)類電子產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)要求，所以低成本、高質(zhì)量、大尺寸藍(lán)寶石單晶已成為當(dāng)前藍(lán)寶石人工晶體產(chǎn)業(yè)不同生產(chǎn)廠家的共同研發(fā)目標(biāo)。

1 人工藍(lán)寶石晶體的生長方法

藍(lán)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(lán)寶石人工晶體的生長方法主要有：火焰法、提拉法、區(qū)熔法、導(dǎo)模法、坩堝移動法、熱交換法、溫度梯度法、泡生法等。

隨著藍(lán)寶石人工晶體生長技術(shù)的不斷發(fā)展，生長過程自動化程度高、人工干預(yù)少、工藝穩(wěn)定、良率穩(wěn)定、產(chǎn)能穩(wěn)定、成本相對較低的藍(lán)寶石長晶方法將符合市場的需求，具有較強(qiáng)的競爭力，是未來長晶技術(shù)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(lán)寶石人工晶體生長方法進(jìn)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(dāng)長的一段時間內(nèi)，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(diǎn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)，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(jì)60、70年代，泡生法經(jīng)改進(jìn)，將此方法應(yīng)用于藍(lán)寶石單晶的制備。該方法生長的藍(lán)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(lán)寶石長晶法的主要特點(diǎn)如下。

（1）引晶過程靠人工來完成，對作業(yè)員操作技能要求較高，生長過程需要較多的人工判斷干預(yù)，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(zhuǎn)一邊向上提拉的過程中較易產(chǎn)生微氣泡，此種方法生長的晶體致密度較其他靜態(tài)藍(lán)寶石長晶法差，微氣泡產(chǎn)生概率較高。

（4）生長出的晶體形狀不規(guī)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(jī)材料，使用次數(shù)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(lán)寶石晶體而發(fā)明的藍(lán)寶石人工晶體生長技術(shù)，由美國人Schmid和Viechnicki共同發(fā)明[3]。1970年Schmid和Viechnicki首先運(yùn)用熱交換法生長出大塊的藍(lán)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(qū)內(nèi)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(nèi)氦氣氣體流量（He高導(dǎo)熱率氣體，循環(huán)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(nèi)熔融的氧化鋁從底部籽晶處由下向上凝固成藍(lán)寶石人工晶體。

后來該技術(shù)被美國專業(yè)的晶體爐生長廠家GT公司收購，經(jīng)過系統(tǒng)化的研究開發(fā)，成為美國GT公司自動化藍(lán)寶石長晶爐的專利技術(shù)，在美國得到應(yīng)用和發(fā)展后，近幾年才被引入國內(nèi)，很快就被市場和同行認(rèn)可。因?yàn)樵摲椒ㄊ且环N為了生長大尺寸藍(lán)寶石而發(fā)明的晶體生長技術(shù)：生產(chǎn)過程自動化程度高、產(chǎn)能大、良率穩(wěn)定，適合規(guī)?；可a(chǎn)，該方法代表了當(dāng)前的藍(lán)寶石人工晶體新材料產(chǎn)業(yè)最主要的需求對象和發(fā)展趨勢。該方法生長的晶體直徑最大可達(dá)600mm，晶體高度可達(dá)550mm，晶體重量最大可到300kg以上

熱交換藍(lán)寶石晶體生長方法主要特點(diǎn)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(yù)，生產(chǎn)自動化程度較高，生產(chǎn)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(chǎn)生晶界缺陷。

（3）晶體生長過程為靜態(tài)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(yōu)于其他非靜態(tài)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(lán)寶石晶體，可根據(jù)最終產(chǎn)品的尺寸來設(shè)計坩堝的形狀和尺寸生長出定制化尺寸的藍(lán)寶石晶體，從而使晶體利用率最大化。

（5）設(shè)備條件要求精確度高，整個工藝復(fù)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(guī)則完整且尺寸較大，晶體利用率高，良率穩(wěn)定，產(chǎn)能穩(wěn)定，最適合規(guī)?；慨a(chǎn)。

2 結(jié)論

總體來看，高品質(zhì)、低成本的藍(lán)寶石晶體材料生長技術(shù)是世界各國關(guān)注的難點(diǎn)和重點(diǎn)，而大尺寸的藍(lán)寶石則是未來endprint