蓝宝石介绍.ppt

蓝宝石的应用,目录,蓝宝石的介绍,蓝宝石是一种氧化铝（al2o3）的单晶，又称为刚玉，就颜色而言，单纯的氧化铝结晶是呈现透明无色的，在自然界中当蓝宝石在生长时，晶体内含有钛离子(ti3+)与铁离子(fe3+)时，会使晶体呈现蓝色，蓝宝石由此得名。蓝宝石由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成,其晶体结构为六方晶格结构。它常被应用的切面有a-plane,c-plane及r-plane.由于蓝宝石的光学穿透带很宽,从近紫外光(190nm)到中红外线都具有很好的透光性.因此被大量用在光学元件、红外装置、高强度镭射镜片材料及光罩材料上，它具有耐高温、抗腐蚀、高硬度（莫氏硬度为9，仅次于钻石）、高耐磨、高透光性、熔点高（2045）等特点，它是一种相当难加工的材料，因此常被用来作为光电元件的材料。目前超高亮度白/蓝光led的品质取决于氮化镓磊晶(gan)的材料品质，而氮化镓磊晶品质则与所使用的蓝宝石基板表面加工品质息息相关，蓝宝石(单晶al2o3 )c面与-和-族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小，同时符合gan 磊晶制程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为,制作白/蓝/绿光led的关键材料。,蓝宝石特性,蓝宝石晶体主要用途,半导体照明,led是新一代光源，被公认为是21世纪最具发展前景的高技术领域。目前，世界各个主要国家和地区纷纷制定led技术与产业发展计划。 高工led产业研究所(glii)统计数据显示，2013年中国led行业依旧保持快速增长态势，全年中国led行业总产值规模为2638亿元(不含中国港澳台地区)，同比增长28%。其中，上游芯片产值超过80亿元，中游封装产值超过470亿元，下游应用产值超过2000亿元。 蓝宝石在照明行业主要用作led 衬底，即led基板，也有称之为支撑衬底。衬底是外延层生长的基板，在生产和制作过程中，起到支撑和固定的作用。它与外延层的特性配合要求比较严 格，否则会影响到外延层的生长或是芯片的品质 。对于制作led 芯片来说，衬底材料的选用是首 要考虑的问题。目前蓝宝石衬底led 产品市场占 有率高达90%以上。,名词解释,led：即发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。当二极管正向偏置时电子与空穴复合时能辐射出可见光。 led外延片：led内部的晶片生产的原材料，它是在蓝宝石衬底上通过化学气相沉积技术（mocvd）生长出来的一层薄膜。之后在外延片上注入基区和发射区，再通过切割等工艺，就可以形成led晶片。led晶片通过封装工艺，才会形成我们看到的led灯珠。 mocvd（金属有机化合物化学气相沉淀）：气相外延生长(vpe)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。 白光led：通常采用两种方法形成，第一种是多种单色光混合方法，蓝、红、绿混合；第二种是利用“蓝光技术”与黄荧光粉配合刺激肉眼中的红光和绿光受体形成白光。,led产品,led制造流程,led的发光原理：是电子穿过一层半导体材料时，激发该半导体材料将电能转化为光能。然而，单层半导体的发光能力很弱，所以要将很多层单层材料叠加起来，压成类似千层糕那样的复合材料，这就是“外延片”。所以，led的发光效率决定于在同等厚度里，能压入多少层。单层材料越薄，能叠加的层数越多，发光效率就越高。现在一般每层厚度仅为2-20微米，这也决定了外延片生产是整个led生产流程中最困难的部分。 切割led核心：相当于从钨丝材料中抽出灯丝，不同的是，切割后的外延片是方块形。由于外延片这种特殊结构，想要完整无损地切割出发光核心，非常困难。不仅需要真空环境，还要专业的切割机。目前世界上只有两个厂家生产这种切割机。 将核心放入led芯片：芯片之于led，正如灯座之于灯泡，是供电部分。“芯片”是实现led理想效果非常重要的装备，因为led对电流的要求非常高。 封装led芯片成发光体：将led芯片封装成为发光体，正如给灯丝灯座加上灯罩做成灯泡。灯罩形状可依据所需而不同，但封装技术决定了发光体的使用寿命。 照明应用：就像运用白炽灯泡一样，根据不同功能和需要，装配成不同的led产品。 对led照明来说，前三步的外延片、切割和芯片是上游，第四步的封装是中游，第五步的应用则是下游,led结构,led发光二极管的结构：主要由pn结芯片、电极和光学系统组成。当在电极上加上正向偏压之后，使电子和空穴分别注入p区和n区，当非平衡少数载流子与多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。其发光过程包括三个部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。,图案化蓝宝石基板,图形化蓝宝石衬底（patternedsapphire substrate, pss），也就是在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩膜，用标准的光刻工艺将掩膜刻出图形，利用icp刻蚀技术刻蚀蓝宝石，并去掉掩膜，再在其上生长gan材料，使gan材料的纵向外延变为横向外延。一方面可以有效减少gan外延材料的位错密度，从而减小有源区的非辐射复合，减小反向漏电流，提高led的寿命;另一方面有源区发出的光，经gan和蓝宝石衬底界面多次散射，改变了全反射光的出射角，增加了倒装led的光从蓝宝石衬底出射的几率，从而提高了光的提取效率。综合这两方面的原因，使pss上生长的led的出射光亮度比传统的led大大提高，同时反向漏电流减小，led的寿命也得到了延长。,纳米图案化蓝宝石基板图,电子产品精密仪器,消费电子蓝宝石,图1 iphone 蓝宝石玻璃镜头,图2 iphone5s 蓝宝石指纹传感器,今年苹果购厂房用于蓝宝石玻璃生产的厂商 gt advance目前在新厂房所在地梅萨市发布了招聘启事，表示将扩大蓝宝石生产，iphone6将首次用上蓝宝石玻璃，预计蓝宝石产业将迎来非常好的发展机遇。,全球智能电子看苹果,小道消息：,苹果现任ceo蒂姆.库克日前在接受美国abc电视台采访时终于承认，此前采购的大批蓝宝石，将会在接下来的日子里被工厂加工为蓝宝石玻璃，并有望于2014年应用到新的设备上。而库克口中的新设备，在接下来的对话中，被间接证实为智能手表iwatch。,有外媒报道，苹果宣布一项与gtadvancedtechnologies公司的合作计划，为后者投资5.78亿美元用于扩大生产蓝宝石时所用的asf熔炉的保有量，预计可生产1亿2亿块蓝宝石玻璃屏幕，并由其合作伙伴gt advance在亚利桑那州的工厂进行生产。,网易财经引述业界人士的说法预估，今年智慧手机与移动设备的蓝宝石晶棒需求比例将从2013年的5%上升到20%。中国证券网更引述研究报告指出，只要有2000万部手机的萤幕采用蓝宝石材质，就等于目前整个led产业的用量，将使得蓝宝石供不应求。,东方证券更进一步测算，如果蓝宝石应用在手机镜头、home、屏幕保护玻璃，截至2016年全球智能手机按16.58亿部计算，其中手机镜头蓝宝石应用渗透率达80%，home键蓝宝石应用达25%，手机屏幕蓝宝石应用达15%，2016年蓝宝石应用市场新增空间近50亿美元，将是led衬底材料的5倍以上空间。,民用航天、军工用蓝宝石,透波窗口、整 流罩、光电窗口、护板、陀 螺、耐磨轴承 等部件。,图1 光电跟踪系统蓝宝石窗口,图2 蓝宝石晶体的整流罩应用,军用光学蓝宝石,图3 战斗机光电吊舱,图4 潜基光电设备潜艇光电桅杆,军用光电设备，如：光电吊舱 、光电跟踪仪、红外警戒系统 、潜舰光电桅杆等 。,民用蓝宝石领域,蓝宝石制造过程,蓝宝石基片的原材料是晶棒,晶棒由蓝宝石晶体加工而成.其相关制造流程如下: 蓝宝石晶体 晶棒 晶棒 衬底,长晶: 利用长晶炉生长尺寸大且高品质的单晶蓝宝石晶体 定向: 确保蓝宝石晶体在掏棒机台上的正确位置,便于掏棒加工 掏棒: 以特定方式从蓝宝石晶体中掏取出蓝宝石晶棒 滚磨: 用外圆磨床进行晶棒的外圆磨削,得到精确的外圆尺寸精度 品检: 确保晶棒品质以及以及掏取后的晶棒尺寸与方位是否合客户规格,机械加工,蓝宝石晶棒制造工艺流程,晶体,晶棒,定向:在切片机上准确定位蓝宝石晶棒的位置,以便于精准切片加工 切片:将蓝宝石晶棒切成薄薄的晶片 研磨:去除切片时造成的晶片切割损伤层及改善晶片的平坦度 倒角:将晶片边缘修整成圆弧状,改善薄片边缘的机械强度,避免应力集中造成缺陷 抛光:改善晶片粗糙度,使其表面达到外延片磊晶级的精度 清洗:清除晶片表面的污染物(如:微尘颗粒,金属,有机玷污物等) 品检:以高精密检测仪器检验晶片品质(平坦度,表面微尘颗粒等),以合乎客户要求,机械加工,蓝宝石基片制造工艺流程,晶棒,基片,蓝宝石长晶方法介绍,为何使用蓝宝石当 led衬底材料,可用于led衬底的材料主要有单晶硅(si)、碳化硅（sic）、蓝宝石（al2o3）、氮化镓（gan）等。由于单晶硅晶格匹配太差，实验进展缓慢无法实现商业化应用；碳化硅单晶成本价格较高，目前市价约是蓝宝石晶体的5倍以上，且只有美国科瑞（cree）公司掌握成熟技术，目前占市场应用不到10%；氮化镓单晶制备更是困难，虽然同质外延质量最好，但价格是蓝宝石晶体的上百倍。综上所述，预计在未来5到10年范围，蓝宝石单晶是led衬底材料的理想选择。,单晶蓝宝石长晶方法,蓝宝石单晶的制备工艺路线较多，其中比较典型有以下几种： 提拉法(cz) 坩埚下降法（b-s） 热交换法(hem) 泡生法(ky) 除了以上几项主流的方法外，还有温度梯度法(tgt)、焰熔法、导模法(efg)、水平结晶法(hdc)等,提拉法(cz),拉晶法又称柴氏拉晶法(czochralski method),简称cz法.先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再利用一单晶晶种接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上因温度差而形成过冷。于是熔汤开始在晶种表面凝固并生长和晶种相同晶体结构的单晶。晶种同时以极缓慢的速度往上拉升，并伴随以一定的转速旋转，随着晶种的向上拉升，熔汤逐渐凝固于晶种的液固界面上，进而形成一轴对称的单晶晶锭.,坩埚上方有一根可以旋转和升降的提拉杆，杆的下端有一个夹头，其上装有一根籽晶。降低提拉杆，使籽晶插入熔体中，只要熔体的温度适中，籽晶既不熔解，也不长大，然后缓慢向上提拉和转动籽晶杆，同时缓慢降低加热功率，籽晶逐渐长粗。小心地调节加热功率，就能得到所需直径的晶体。整个生长装置安放在一个外罩里，以保证生长环境有所需要的气体和压力。,提拉法生长方式示意图,有关工艺参数控制,1) 加热方式 提拉法生长晶体的加热方法一般采用电阻加热和高频感应加热，在无坩埚生长时可采用激光加热、电子束加热、等离子体加热和弧光成像加热等加热方式 2) 晶体直径的控制 提拉法生长的晶体直径的控制方法很多，有人工直接用眼睛观察进行控制，也有自动控制。自动控制的方法目前一般有利用弯月面的光反射、晶体外形成像法、称重等法,炉内保温系统剖面图,提拉法生长晶体的优点,1) 在生长过程中，可以直接观察晶体的生长状况，这为控制晶体外形提供了有利条件 2) 晶体在熔体的自内表面处生长，而不与坩埚相接触，能够显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核 3) 可以方便地使用定向籽晶的和“缩颈”工艺，得到不同取向的单晶体，降低晶体中的位错密度，减少镶嵌结构，提高晶体的完整性 提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质量的晶体。,提拉法生长晶体的缺点,1) 一般要用坩埚作容器，导致熔体有不同程度的污染 2) 当熔体中含有易挥发物时，则存在控制组分的困难 3) 适用范围有一定的限制。例如，它不适于生长冷却过程中存在固态相变的材料，也不适用于生长反应性较强或熔点极高的材料，因为难以找到合适的坩埚来盛装它们 总之，提拉法生长的晶体完整性很高，面其生长速率和晶体尺寸也是令人满意的。设计合理的生长系统、精确面稳定的温度控制、熟练的操作技术是获得高质量晶体的重要前提条件,坩埚下降法,坩埚下降法又称布里奇曼晶体生长法。该方法的创始人是p.w.bridgman，论文发表于1925年d.c.stockbarger曾对这种方法的发展作出了重要的推动，因此这种方法也可以叫做布里奇曼斯托克巴杰方法,简称b-s方法。 该方法的特点是使熔体在坩埚中冷却而凝固。坩埚可以垂直放置，也可以水平放置(使用“舟”形坩埚)，如下图所示。生长时，将原料放入具有特殊形状的坩埚里，加热使之熔化。通过下降装置使坩埚在具有一定温度梯度的结晶炉内缓缓下降，经过温度梯度最大的区域时，熔体便会在坩埚内自下由上地结晶为整块晶体。,坩埚下降法示意图,坩埚下降法原理,下降法一般采用自发成核生长晶体，其获得单晶体的依据就是晶体生长中的几何淘汰规律，原理如下图所示。在一根管状容器底部有三个方位不同的晶核a、b、c，其生长速度因方位不同而不同。假设晶核b的最大生长速度方向与管壁平行，晶核a和c则与管壁斜交。由图中可以看到，在生长过程中，a核和c核的成长空间因受到b核的排挤而不断缩小，在成长一段时间以后终于完全被b核所湮没，最终只剩下取向良好的b核占据整个熔体而发展成单晶体，这一现象即为几何淘汰规律,为了充分利用几何淘汰规律，提高成品率，人们设计了各种各样的坩埚。如左图所示。其目的是让坩埚底部通过温度梯度最大的区域时，在底部形成尽可能少的几个晶核，而这几个晶核再经过几何淘汰，剩下只有取向优异的单核发展成晶体。经验表明，坩埚底部的形状也因晶体类型不同而有所差异。,几何淘汰规律,坩埚下降法的优点,1) 由于可以把原料密封在坩埚里，减少了挥发造成的泄漏和污染，使晶体的成分容易控制 2) 操作简单，可以生长大尺寸的晶体。可生长的晶体品种也很多，且易实现程序化生长 3) 由于每一个坩埚中的熔体都可以单独成核，这样可以在一个结晶炉中同时放入若干个坩埚，或者在一个大坩埚里放入一个多孔的柱形坩埚，每个孔都可以生长一块晶体，而它们则共用一个圆锥底部进行几何淘汰，这样可以大大提高成品率和工作效率,坩埚下降法的缺点,1) 不适宜生长在冷却时体积增大的晶体 2) 由于晶体在整个生长过程中直接与坩埚接触，往往会在晶体中引入较大的内应力和较多的杂质 3) 在晶体生长过程中难于直接观察，生长周期也比较长 4) 若在下降法中采用籽晶法生长，如何使籽晶在高温区既不完全熔融，又必须使它有部分熔融以进行完全生长，是一个比较难控制的技术问题 总之，坩埚下降法的最大优点是能够制造大直径的晶体(直径达200mm)，其主要缺点是晶体和坩埚壁接触容易产生应力或寄生成核。它主要用于生长碱金属和碱土金属的卤族化合物(例如caf2、lif、nai等)以及一些半导体化合物 (例如aggase2、aggas2、cdznte等)晶体,热交换法(hem),热交换法 heat exchange method (hem) 1947年美国开始使用热交换器法来生产大直径蓝宝石单晶 基本原理如下： 利用热交换器来带走热量，使得晶体生长区内形成 一下冷上热纵向温度梯度 藉由控制热交换器内气体流量的大小及改变加热功率的大小来控制此一温度梯度，藉此达成坩埚内溶液由下慢慢向上凝固成晶体的目的,1)先加热熔化坩埚内的原料,使熔 体温度保持略高于熔点510 2)埚底的晶种部分被熔化,炉温缓慢下降 3)开通he气冷却 4)熔体就被未熔化晶种为核心,逐渐生长出充满整个坩埚的大块单晶,晶体生长程序,热交换法晶体生长过程,热交换法炉体示意图,热交换法的优点,1) 固/液界面位于坩埚内，且没有拉伸的动作，不易受到外力干扰 2) 藉由改变坩埚的外形就能改变晶体的形状 3) 能够分别控制熔区及固化区之温度梯度 4) 可减少浮力对流的影响 5) 可直接在炉内进行退火减少晶体内之热应力 6) 易于生长大尺寸晶体,热交换法的缺点,1) 不适于生长强烈腐蚀坩埚的材料 2) 生产过程会引入较大内应力 3) 氦气价格昂贵 4) 气流的流量难以精确控制,泡生法(ky),泡生法 kyropoulos method 由美国kyropouls 发明 ,这种方法是将一根受冷的籽晶与熔体接触，如果界面的温度低于凝固点，则籽晶开始生长，为了使晶体不断长大，就需要逐渐降低熔体的温度，同时旋转晶体，以改善熔体的温度分布。也可以缓慢的（或分阶段的）上提晶体，以扩大散热面。晶体在生长过程中或生长结束时不与坩埚壁接触，这就大大减少了 晶体的应力。不过，当晶体与剩余的熔体脱离时，通常会产生较大的热冲击，其产出晶体缺陷密度远低于提拉法生长的晶体。 泡生法与提拉法的最大区别在于：泡生法是利用温度控制生长晶体，生长时只拉出晶体头部，晶体部分依靠温度变化来生长，而拉出颈部的同时，调整加热电压以使得熔融的原料达到最合适的生长温度范围,将晶体原料放入耐高温的坩埚中加热熔化 ,调整炉内温度场 ,使熔体上部处于稍高于熔点的状态;使籽晶杆上的籽晶接触熔融液面 ,待其表面稍熔后 ,降低表面温度至熔点 ,提拉并转动籽晶杆 ,使熔体顶部处于过冷状态而结晶于籽晶上 ,在不断提拉的过程中 ,生长出圆柱状晶体,泡生法生长方式示意图,蓝宝石晶体不同工艺优缺点比较,蓝宝石的市场分析,目前国内蓝宝石市场主要在led衬底、奢侈品手表手机和消费电子保护玻璃上，随着蓝宝石的价格降低和iphone手机使用蓝宝石镜头保护玻璃带动蓝宝石手机应用推广，消费品电子对蓝宝石的需求激增，国内外蓝宝石相关厂商都积极推进。,蓝宝石：,机遇&危机,国内led行业概况,年初以来，led概念股的爆发最先源于美国等发达国家禁用白炽灯，再加上国内led替代白炽灯的规模也很大，于是led照片概念股持续走强，华灿光电、三安光电更在短短一个月左右的时间，走出了接近翻番的超强走势。由于led照明的短制程以及技术相对容易掌握，中国在led照明的细分领域均已具备成本优势，将成为全球led照明的主要生产基地。2013年国内led室内照明市场增长86%，预计2014-2015年增速将分别达到65%和43%。,在2月19日举行的高工产研新兴产业投资策略会上，高工led产业研究所所长张宏标认为，今年led照明行业将进入新一轮黄金期。 张宏标预计，上游加快优胜劣汰、下游照明需求扩张、行业兼并重组加速将是led照明行业2014年的看点和投资机会。继德豪润达兼并雷士、三安光电收购台湾璨圆后，最近同方股份又准备收购真明丽，今年led行业整合的力度将比去年更大。而今年春节前后，国内led芯片龙头三安光电完成增发，拟将led芯片产能再扩大一倍，预期一些小的芯片厂将被挤掉。,国内蓝宝石厂家,台湾厂商：,鑫晶钻、兆晶、晶美、佳晶、兆远、合晶、中美晶、尚志,大陆厂商：,协鑫光电（江苏）、嘉星晶电（青岛）、 欧亚蓝宝光电（江苏）、水晶光电（浙江）、天通股份（浙江）、四联仪器（honeywell）（重庆）、蓝晶科技（云南）、贵阳工投（贵州）、哈尔滨工大奥瑞德光电（黑龙江）、陕西神光新能源（西安）、九江赛翡（江西）、梅州赛翡（广东）、江苏能建（泰州）、晶环电子（内蒙古）、吉星新材料（江苏）、鑫晶（福建）、三安光电（厦门）、晶桥光电（合肥）,国外主要蓝宝石厂商,除以上厂商外还有:astek (韩国)、saint-gobain （法国）、住友（日本）,国内蓝宝石相关公司概况,上市公司：东晶电子(002199)(长晶至切抛磨)、天通股份(600330)(长晶至切抛磨)、晶盛机电(300316)(长晶至切抛磨)、水晶光电(002273)(切抛磨、pss)、三安光电(600703)(晶安光电;长晶至切抛磨、pss)、天龙光电(300029)(长晶炉)、安泰科技(000969)(坩埚材料)等。 非上市公司：云南玉溪蓝晶(长晶至切抛磨)、哈尔滨奥瑞德(长晶至切抛磨)、重庆四联(长晶至切抛磨)、江苏同人电子(长晶至切抛磨)、露笑光电(长晶至切抛磨)等，宁波韵丰(长晶炉)、沈阳仪科(长晶炉)等。,国内主要蓝宝石厂信息,国内主要蓝宝石厂信息,鑫晶钻,鸿海投资,2011年合并兆晶,董事长：郭莉莉,子公司：江苏富晶钻、协鑫,晶美应用,亿光集团投资,