杜彦召
DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.25.104
摘 要：蓝宝石单晶由于其优良的综合性能而成为当前重要的技术晶体材料之一，在军用和民用等各个领域都具有广泛的应用，尤其最近几年手机终端厂家计划将蓝宝石晶体材料导入智能手机等消费类电子的设计和制造。本文简述了蓝宝石单晶的主要性能，主要介绍了热交换法和泡生法两种主要的蓝宝石单晶生长方法并对比分析了每种方法的特点，最后概括了蓝宝石单晶目前及今后的主要发展方向，指出未来消费类电子产品对蓝宝石人工晶体的需求将是主流。综合不同长晶方法的各自特点分析后，得出热交换蓝宝石长晶法最合适规模化量产，最有可能在不断地增加晶体直径的情况下保持甚至提高晶锭的利用率，从而降低生产成本，是最适合手机等消费类电子产品的长晶方法，符合未来市场需求。
关键词：消费类电子 蓝宝石手机盖板 泡生法 大尺寸蓝宝石单晶 热交换法
中图分类号：O78 文献标识码：A 文章编号：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
蓝宝石化学组成为氧化铝，是由3个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成的晶体，其晶体结构为六方晶格结构。分为天然蓝宝石晶体和人工蓝宝石晶体。蓝宝石晶体是对除红色氧化铝晶体外其他颜色氧化铝晶体的统称，并非只有蓝色的氧化铝晶体才叫做蓝宝石。
自然界中的天然蓝宝石晶体，晶体内往往含有微量的杂质元素使晶体显示出不同的颜色。当晶体内含有钛离子（Ti3+）与铁离子（Fe3+）时，会使晶体呈现蓝色，而成为蓝色蓝宝石（Blue Sapphire）。当晶体内含有铬离子（Cr3+）时，会使晶体呈现红色，而成为红宝石（Ruby）。又当晶体内含有镍离子（Ni3+）时，会使晶体呈现黄色，而成為黄色蓝宝石。自然界的天然蓝宝石晶体一般为尺寸较小的晶体，开采后主要用于珠宝首饰的设计制造。
人工蓝宝石晶体一般是不含有显色元素离子的透明无色晶体。其生长过程是，采用一定的晶体生长方法将无定型的高纯氧化铝原料放进坩埚中，在一定温度下经过熔融再结晶从而形成具有一定形状和尺寸的人工蓝宝石晶体。人工蓝宝石晶体材料的物理化学性能优异，具有广泛的应用场景。蓝宝石的化学稳定性：蓝宝石具有高度的化学稳定性，在绝大多数化学反应过程中都不会被腐蚀。蓝宝石的机械特性：蓝宝石具有高硬度和高强度，可以在温度范围从超低温到1500℃高温之间的不同环境中保持高强度、耐磨耗与高度的稳定性。同时是目前已知硬度最高的氧化物晶体材料，硬度仅次于金刚石（硬度莫氏10级）达到莫氏9级[1]。蓝宝石的光学特性：蓝宝石单晶材料的穿透波长范围为0.19nm到5.5nm，双面抛光后的蓝宝石窗口片可见光透过率86%以上，可广泛应用于各类光学窗口产品的设计和生产。蓝宝石晶体垂直于C向和平行于C向的介电常数为分别为9.3和11.5，是玻璃材料的2倍左右，用蓝宝石晶体制作的触摸显示屏灵敏度极高。用蓝宝石人工晶体制成的窗口片其四点弯曲强度可以达到1000MPa以上，是目前玻璃产品强度的1.5倍以上，同时由于蓝宝石晶体热导率是玻璃的2倍，其散热速率是玻璃材料的2倍。endprint
由于蓝宝石人工材料在强度、耐磨性、耐划伤性、触摸灵敏度等方面的性能完全优于目前的玻璃材料，因此美国苹果公司提出计划将蓝宝石新材料导入智能手机屏幕盖板产业。而人工蓝宝石晶体只有具备一定的外形尺寸和重量、成本相对较低才可满足智能手机屏幕盖板等消费类电子产业产品的生产要求，所以低成本、高质量、大尺寸蓝宝石单晶已成为当前蓝宝石人工晶体产业不同生产厂家的共同研发目标。
1 人工蓝宝石晶体的生长方法
蓝宝石人工晶体的需求多种多样，因此其生长方法也多种多样。蓝宝石人工晶体的生长方法主要有：火焰法、提拉法、区熔法、导模法、坩埚移动法、热交换法、温度梯度法、泡生法等。
随着蓝宝石人工晶体生长技术的不断发展，生长过程自动化程度高、人工干预少、工艺稳定、良率稳定、产能稳定、成本相对较低的蓝宝石长晶方法将符合市场的需求，具有较强的竞争力，是未来长晶技术的趋势和主流。而以上多种晶体生长方法中，只有热交换法和泡生法这两种晶体生长方法可生长出相对较大尺寸的人工晶体。下面就这两种国际上目前主流的蓝宝石人工晶体生长方法进行介绍。
1.1 泡生法
泡生法又称之为凯氏长晶法（Kyropoulos Method），简称KY法，是Kyropoulos[2]于1926年首先提出并用于晶体的生长，此后相当长的一段时间内，该方法都是用于大尺寸卤族晶体、氢氧化物和碳酸盐等晶体的制备与研究。其原理与直拉法（Czochralski Method）类似，先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再以单晶之晶种（Seed Crystal，又称籽晶棒）接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶，晶种以极缓慢的速度往上拉升，但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔汤与晶种界面的凝固速率稳定后，晶种便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固，最后凝固成一整个单晶晶碇。
20世纪60、70年代，泡生法经改进，将此方法应用于蓝宝石单晶的制备。该方法生长的蓝宝石单晶，外型通常为梨形，晶体直径最大可以生长到300mm左右，晶体高度最大可以生长到600mm左右，晶体重量一般为100kg左右。
泡生法蓝宝石长晶法的主要特点如下。
（1）引晶过程靠人工来完成，对作业员操作技能要求較高，生长过程需要较多的人工判断干预，自动化程度相对较低，晶体生长良率随人员变动有较大波动。
（2）晶体生长过程不与坩埚壁接触，生长出的晶体晶界缺陷相对较少。
（3）晶体生长过程是克服重力的悬空生长，在晶体一边旋转一边向上提拉的过程中较易产生微气泡，此种方法生长的晶体致密度较其他静态蓝宝石长晶法差，微气泡产生概率较高。
（4）生长出的晶体形状不规则，非等径生长，晶体成品利用率相对较低。
（5）晶体热场多为耐高温金属材料，使用寿命相比于石墨热场等无机材料，使用次数和寿命相对较短。
1.2 热交换法
热交换法（Heat Exchange Method）简称HEM法。热交换法是一种为了生长大尺寸蓝宝石晶体而发明的蓝宝石人工晶体生长技术，由美国人Schmid和Viechnicki共同发明[3]。1970年Schmid和Viechnicki首先运用热交换法生长出大块的蓝宝石晶体。其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下冷上热的纵向温度梯度，同时再通过控制热交换器内氦气气体流量（He高导热率气体，循环带走热量）的大小及改变加热功率的高低来控制此温度梯度，使坩埚内熔融的氧化铝从底部籽晶处由下向上凝固成蓝宝石人工晶体。
后来该技术被美国专业的晶体炉生长厂家GT公司收购，经过系统化的研究开发，成为美国GT公司自动化蓝宝石长晶炉的专利技术，在美国得到应用和发展后，近几年才被引入国内，很快就被市场和同行认可。因为该方法是一种为了生长大尺寸蓝宝石而发明的晶体生长技术：生产过程自动化程度高、产能大、良率稳定，适合规模化批量生产，该方法代表了当前的蓝宝石人工晶体新材料产业最主要的需求对象和发展趋势。该方法生长的晶体直径最大可达600mm，晶体高度可达550mm，晶体重量最大可到300kg以上
热交换蓝宝石晶体生长方法主要特点如下。
（1）从原料熔化、引晶、形成温度梯度，晶体生长到晶体退火整个晶体生长过程全部由电脑程序控制，无需人工操作干预，生产自动化程度较高，生产良率不会因人员变动而波动。
（2）晶体生长过程中与坩埚壁接触，在晶体周边较容易产生晶界缺陷。
（3）晶体生长过程为静态的自下而上生长，整个生长外界扰动较小，长出的晶体致密度和硬度优于其他非静态长晶法，且长出的晶体气泡率较低。
（4）热交换法可以生长定制化生长不同直径和高度的蓝宝石晶体，可根据最终产品的尺寸来设计坩埚的形状和尺寸生长出定制化尺寸的蓝宝石晶体，从而使晶体利用率最大化。
（5）设备条件要求精确度高，整个工艺复杂，晶体生长周期长，另外需要氦气作冷却剂，而且坩埚也是一次性的，成本相对较高。
（6）生长过程为等径生长，长出的晶体形状规则完整且尺寸较大，晶体利用率高，良率稳定，产能稳定，最适合规模化量产。
2 结论
总体来看，高品质、低成本的蓝宝石晶体材料生长技术是世界各国关注的难点和重点，而大尺寸的蓝宝石则是未来endprint
