藍(lán)寶石市場前景廣闊,但目前生產(chǎn)大尺寸藍(lán)寶石晶體技術(shù)主要被俄羅斯和歐美企業(yè)壟斷。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前全球70%的藍(lán)寶石襯底由俄羅斯企業(yè)提供,另外30%由美國和歐洲掌控。國內(nèi)尚未形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的藍(lán)寶石襯底片生產(chǎn)廠家。
藍(lán)寶石是制作芯片的重要原料,占LED芯片原料費(fèi)的10%。2010年第三季度后,全球藍(lán)寶石產(chǎn)量居前兩名的公司紛紛漲價,直接影響了LED芯片及封裝價格上漲。
藍(lán)寶石是指非紅色的氧化鋁（Al2O3）。含有雜質(zhì)的藍(lán)寶石很早以前就被作為寶石，由于其具有多種光學(xué)、機(jī)械、電氣、熱以及化學(xué)特性，因此還被廣泛應(yīng)用于工業(yè)等多種領(lǐng)域，而且應(yīng)用范圍仍在不斷擴(kuò)大之中。其中，能夠合成制造出藍(lán)寶石更是意義重大。藍(lán)寶石的主要用途包括LED和LED底板。
LED市場在2010年經(jīng)歷了史無前例的發(fā)展。隨著市場的發(fā)展，制造藍(lán)色和白色GaN類LED時使用的藍(lán)寶石底板的需求也大幅增長。對底板成品的需求由每月按2英寸換算（TIE)為100萬（2009年12月）增加到了200萬（2010年第四季度）。
2009年第四季度，藍(lán)寶石的加工能力滿足需求還有余力。也就是說，加工藍(lán)寶石的企業(yè)還能應(yīng)對當(dāng)時的需求。但是，材料的供應(yīng)能力在2009年年底就逐步達(dá)到了極限。生產(chǎn)藍(lán)寶石材料的企業(yè)大部分都因?yàn)?009年的金融危機(jī)和一直持續(xù)到09年的巨大物價壓力而陷入苦于資金周轉(zhuǎn)的困境。另外，由于新設(shè)備的導(dǎo)入和運(yùn)轉(zhuǎn)通常需要半到一年的時間，2010年產(chǎn)能緩慢上升，因而無法適應(yīng)需求的急劇增加。由此產(chǎn)生了嚴(yán)重的材料短缺，導(dǎo)致價格暴漲。
藍(lán)寶石芯材（Core）和坯料（Blank）由商品變身為“戰(zhàn)略性材料”，大量的藍(lán)寶石生產(chǎn)商時隔數(shù)年又重新掌握了定價的主導(dǎo)權(quán)。而且，他們可以將價格設(shè)定為能夠最大限度獲取利潤的水平。其結(jié)果是，藍(lán)寶石晶圓的美國國內(nèi)售價超出我們的預(yù)想，上漲到了30美元，現(xiàn)金交易市場上的價格更是超過了30美元。很多加工藍(lán)寶石的企業(yè)和LED廠商為確保產(chǎn)能已經(jīng)預(yù)付了貨款，目的是防止生產(chǎn)線停工。
生產(chǎn)藍(lán)寶石晶棒的工藝主要有泡生法(KY法、凱氏長晶法)、提拉法(CZ法、柴氏拉晶法)、溫度梯度法(TGT法)等，其中泡生法為主流工藝，生產(chǎn)的藍(lán)寶石晶體約占70%，鉆取率約30%。
藍(lán)寶石晶體原材料為氧化鋁碎晶，生產(chǎn)利用率大于97%，已經(jīng)完全國產(chǎn)化。藍(lán)寶石單晶產(chǎn)品即為藍(lán)寶石坯料，可直接出售，不合格品可直接作為原材料再次加工。其他消耗材料如鎢鉬材料、金剛石刀具、傳感器、儀表等均國產(chǎn)化。預(yù)計(jì)由藍(lán)寶石生產(chǎn)藍(lán)寶石晶棒的原材料、耗材均可由國內(nèi)充分供應(yīng)，此環(huán)節(jié)的短板主要在于長晶爐依賴進(jìn)口。
國內(nèi)主要的藍(lán)寶石晶體爐廠家都是高校研究機(jī)構(gòu)，包括西安理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及重慶第二十六研究所等。但國內(nèi)目前的生產(chǎn)技術(shù)只能生產(chǎn)2英寸以下的藍(lán)寶石晶棒，長成的晶體與氮化鎵(GaN)的晶格錯位較大，無法用于LED的藍(lán)寶石襯底領(lǐng)域，大多用于手表表面外殼等。
藍(lán)寶石晶棒的供應(yīng)商有美國的Rubicon、Honeywell，俄羅斯的 Monocrystal、ATLAS，韓國STC 及國內(nèi)合晶光電、越峰(臺聚轉(zhuǎn)投資)、尚志(大同轉(zhuǎn)投資)及鑫晶鉆(奇美、鴻海轉(zhuǎn)投資)。
藍(lán)寶石基板的供應(yīng)商有美國的Rubicon、Honeywell、Crystal Systems、Saint-Gobain，俄羅斯的Monocrystal、ATLAS Sapphire，日本的京都陶瓷(Kyocera)、Namiki、Mahk，及國內(nèi)兆遠(yuǎn)、兆晶(奇美轉(zhuǎn)投資)、晶美、合晶及中美晶等公司。其產(chǎn)能如下：
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2009 |
2010E |
2011E |
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Rubicon(萬毫米) |
500 |
600 |
900 |
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Monocrystsal(萬毫米) |
400 |
450 |
675 |
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STC(萬毫米) |
300 |
500 |
750 |
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越峰(萬毫米) |
108 |
160 |
300 |
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其他(萬毫米) |
400 |
450 |
900 |
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合計(jì)(萬毫米) |
1708 |
2160 |
3530 |
目前，GaN基襯底包括藍(lán)寶石、SiC、GaN、Zno等，商業(yè)化的只有藍(lán)寶石、SiC襯底，除CREE外，基本都使用藍(lán)寶石襯底。
2010年全球主要LED藍(lán)寶石基板生產(chǎn)廠商2英寸基板的厚度
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廠家名稱 |
2英寸基板厚度 |
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美國crystal systems |
(330-430μm-25μm，330-430μm+25μm) |
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俄羅斯cradley crystals |
(330-430μm-25μm，330-430μm+25μm) |
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臺灣兆晶科技股份有限公司 |
(330-430μm-25μm，330-430μm+25μm) |
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臺灣中美矽晶制品股份有限公司 |
(430μm-25μm，430μm+25μm) |
對于新增設(shè)備，安裝需要3～6個月的時間。從工藝角度而言，大尺寸藍(lán)寶石晶體生產(chǎn)周期需10天左右，準(zhǔn)備和后處理需要7天左右，試件加工需要7天左右，質(zhì)量檢測、微觀結(jié)構(gòu)及光電性能需要30天左右，工藝分析、模擬需要7天左右。前后就耗去6～8個月的時間。
同時，藍(lán)寶石晶棒除了應(yīng)用于LED產(chǎn)業(yè)，還應(yīng)用于以下幾個方面：
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用途 |
備注 |
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航空航天大尺寸平板藍(lán)寶石光電窗口 |
透波窗口、護(hù)板、陀螺、耐磨軸承等 |
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大尺品質(zhì)藍(lán)寶石軍工窗口及器件 |
美國洛克希德-馬丁公司估計(jì)年增長率超過25%，預(yù)計(jì)超過3億美元 |
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其他民用窗口 |
手機(jī)窗口、光電遙控窗口、條碼機(jī)耐磨窗口、投影儀保護(hù)棱鏡、光電管感光棱鏡，需求約2億美元，耐磨類零部件占晶體用量35%左右 |
藍(lán)寶石晶棒供不應(yīng)求的主要原因在于MOCVD的瘋狂擴(kuò)張，而并不是LED終端產(chǎn)品需求的增加。由于藍(lán)寶石晶棒、基板的緊缺，MOCVD機(jī)器只有不到50%的能夠開工，MOCVD的過剩中短期內(nèi)將催高藍(lán)寶石晶棒、基板價格的價格，造成終端產(chǎn)品價格的上漲，降低磊晶廠的毛利率。從長期看，藍(lán)寶石晶棒、基板的緊缺必將起到大浪淘沙的作用，一部分芯片質(zhì)量相對不高，成本相對較高的外延片、芯片企業(yè)將倒在普通照明市場打開之前。
藍(lán)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(diǎn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，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(jìn)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(diǎn)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(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.
晶體提拉法
晶體提拉法(crystal pulling method) 由J .Czochral ski 于1918 年發(fā)明,故又稱“丘克拉斯基法”,簡稱CZ 提拉法,是利用籽晶從熔體中提拉生長出晶體的方法,能在短期內(nèi)生長出高質(zhì)量的單晶。這是從熔體中生長晶體最常用的方法之一。其優(yōu)點(diǎn)是: (1) 在生長的過程中,可方便地觀察晶體生長的狀況； (2) 晶體在熔體表面處生長,不與坩堝接觸,能顯著地減小晶體的應(yīng)力,防止坩堝壁的寄生成核； (3) 可以方便地運(yùn)用定向籽晶和“縮頸”工藝,使“縮頸”后籽晶的位錯大大減少,降低擴(kuò)肩后生長晶體的位錯密度,從而提高晶體的完整性 。其主要缺點(diǎn)是晶體較小,直徑最多達(dá)約51～76 mm。.
泡生法
泡生法( Kyropoulos method) 于1926 年由Kyropoul s 發(fā)明,經(jīng)過科研工作者幾十年的不斷改造和完善,目前是解決晶體提拉法不能生產(chǎn)大晶體的好方法之一。其晶體生長的原理和技術(shù)特點(diǎn)是:將晶體原料放入耐高溫的坩堝中加熱熔化,調(diào)整爐內(nèi)溫度場,使熔體上部處于稍高于熔點(diǎn)的狀態(tài);使籽晶桿上的籽晶接觸熔融液面,待其表面稍熔后,降低表面溫度至熔點(diǎn),提拉并轉(zhuǎn)動籽晶桿,使熔體頂部處于過冷狀態(tài)而結(jié)晶于籽晶上,在不斷提拉的過程中,生長出圓柱狀晶體。
泡生法與提拉法生長晶體在技術(shù)上的區(qū)別是: (1) 晶體直徑 在擴(kuò)肩時前者的晶體直徑較大,可生長出100 mm 以上直徑的藍(lán)寶石晶體,而后者則有些難度； (2) 晶體方向 前者對生長大尺寸、有方向性的藍(lán)寶石晶體擁有更大的優(yōu)勢；(3) 晶體質(zhì)量 泡生法生長系統(tǒng)擁有適合藍(lán)寶石晶體生長的最佳溫度梯度。在生長的過程中或結(jié)束時,晶體不與坩堝接觸,大大減少了其應(yīng)力,可獲得高質(zhì)量的大晶體,其缺陷密度遠(yuǎn)低于提拉法生長的晶體,且兩者生長晶體的形狀也不同。
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