蓝宝石(Sapphire)是一种氧化铝(Al₂O₃)的单晶，其在机械性能、热学性质、光学以及化学性质等方面都具有优越特性，因此成为应用广泛的人工合成单晶材料。

目前蓝宝石较为广泛的应用如下：

(1)由于蓝宝石具有较高的硬度且可以在温度范围从超低温至1500℃高温之间的不同环境中保持高强度、耐磨耗以及高度的化学稳定性，因此常作为精密机械的轴承材料；

(2)由于蓝宝石的熔点在2000℃以上，并具有稳定的化学性质与优良的透光度，使得蓝宝石所制作的镜片和光学元件可以应用于高温高真空与其他复杂的环境中，例如高功率镭射的透镜材料、导弹弹头光罩、航天材料以及应用于辐射环境中的光学元件等；

(3)近年来材料与外延制程技术的提升，目前制作蓝白光发光二极管（Lighting Emitting Diode，LED）所使用的基底材料也以蓝宝石为主，由于蓝白光LED具有寿命长、消耗功率低、发光效率高等优势，已经成为新一代的照明光源，因而制作蓝白光LED基底的蓝宝石在产业界需求量也大幅提升；

(4)在微电子领域，可以应用于GaN的外延片、SOS微电子电路、其它材料的外延片以及光学元件等等。

蓝宝石衬底

随着半导体、航空航天等领域的飞速发展，现在对蓝宝石晶体的尺寸和质量都有了新的更高的要求，美国的LIGO计划中的分光透镜所使用的蓝宝石晶体材料的光透过率>80%。因此，蓝宝石晶体正朝着尺寸越来越大，光学均匀性和工作波段透过率越来越好的方向发展。

另外，蓝宝石品体尺寸越大，其材料利用率越大，单位成本也越低。因此生长高品质、低成本、大尺寸蓝宝石晶体是当前迫切发展的趋势。

蓝宝石晶体制备技术

随着科学技术的不断发展，蓝宝石晶体主要从晶体缺陷、晶体尺寸和晶体形状等方面去满足特定的规格要求。与此同时，如何提高晶体成品率并降低生产成本成为蓝宝石晶体生长技术的研究方向。

目前常用的生长方法主要有泡生法、热交换法、提拉法、温度梯度法、冷心放肩微量提拉法等，也有很多针对上述方法的改进方法。例如，冷心放肩微量提拉法就是在提拉法和泡生法的基础上，吸收两种方法的优点并加以利用。

蓝宝石晶体的生长技术发展

1. 提拉法（CZ）

提拉法是先将氧化铝原料加热至熔点使之熔化形成熔体，再利用一单晶棒作为晶种(Seed)降下高度使下面端面逐渐接触到熔体表面，在晶种与熔体的固液界面上会有一定的温度差。由于温度梯度的作用，熔体开始在晶种表面凝固并生长和晶种相同晶体结构的蓝宝石单晶。晶种同时以极为缓慢的速度向上拉升，并伴随着一定的旋转，熔体逐渐结晶于晶种与熔体之间的固液界面上，最后生长成蓝宝石单晶晶棒。

在目前的半导体产业中，CZ法是最常用到的晶体生长方法，由于它能生长出较大直径的晶体，所以大约85%的半导体产业都用CZ法来生长单晶棒，但是利用CZ法来生长单晶棒容易使晶棒有杂质浓度分布不均匀现象，所以此方法所生长的晶体只适合运用在低功率的集成电路元件中。

提拉法示意图

2. 温度梯度法（TGT）

温度梯度法(Temperature gradient technique，TGT)是实现用定向籽晶来诱导蓝宝石单晶生长，熔体沿着籽晶晶体结构的原子排列结晶长出蓝宝石晶体。温度梯度法长晶装置包括隔热板、热元件、坩埚、石墨电极以及冷却水管，籽晶槽位于坩埚底部，温场由石墨发热体和冷却装置共同提供。

蓝宝石籽晶

3. 热交换法（HEM）

热交换法（HEM）的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上热下冷的纵向温度梯度，同时借由控制交换器内的气体流量大小以及改变加热功率的高低来控制坩埚内的温度梯度，借此达成坩埚内熔汤由下慢慢向上凝固成晶体的目的。

由于此方法是在密闭的坩埚内进行单晶生长，这样生长的晶体较不容易受到炉体的污染，而且晶体由下往上凝固，使熔汤内的杂质因形成熔渣而漂浮在上方，比较不会溶入晶体内部，只要在将生长所得的晶体上方切除即可清除，可得较为纯净的晶体，并且可得较大的蓝宝石单晶，最大可达80kg。

热交换法单晶炉示意图

4. 定边模喂法(EFG)

定边模喂法也称导模法(Edge-defined Film-fed Growth，EFG)，将氧化铝原料填料于铱坩埚中，通过射频感应线圈加热原料使之熔化成熔体，并在坩埚中放置一个铱材料的模具，通过毛细作用让熔体摊平于铱制模具的上方表面，形成一薄膜，放下晶种使之碰触到薄膜，于是薄膜在晶种的端面上结晶成与晶种相同结构的单晶。晶种再缓慢往上拉升，逐渐生长单晶，同时由坩埚中供应熔汤补充薄膜，由于此薄膜之边缘受到铱模所限定，并扮演持续喂料以供晶体生长之用，所以称为限定边缘模喂法，简称导模法。

5. 冷心放肩微量提拉法(SAPMAC)

冷心放肩微量提拉法综合了泡生法和提拉法的优点，并对温场设计加以创新，从而形成一种新的蓝宝石长晶方法。采用SAPMAC法生长蓝宝石单晶，其晶体直径可以生长到比坩埚内径略小10-30mm的尺寸（一般生长30kg级蓝宝石晶体的坩埚内径为20-22cm）。

将籽晶利用钨线固定在籽晶杆，籽晶杆与热交换器相连，并带动晶体的旋转和上下提拉，热交换器、晶体和熔体之间会通过冷却水进行热量交换，并将热量带走。通过冷却水系统可以为晶体生长提供一个稳定、均匀的温场环境。可通过调节热交换器中水的温度、流量和加热温度精确控制温场中的温度梯度，形成晶体与熔体之间的过冷，从而完成晶体生长。值得注意的是，冷心放肩微量提拉法在晶体生长自动化控制方面不太理想，因而在晶体生长过程中过多的引入人为因素，进而影响晶体生长质量，加大产生晶体缺陷的几率。

6. 泡生法（KY)

泡生法的原理与提拉法类似，同样先将氧化铝原料加热至熔点使之熔化形成熔体，再用蓝宝石单晶晶种接触到熔体表面试探熔体温度是否适合晶体生长。下晶种之后，籽晶同样以极缓慢的速度向上拉升，但在晶种往上拉晶一段时间后，待熔体与晶种界面的凝固速率稳定后，同时所长出的晶体逐渐沾黏到坩埚内壁时，晶种不再拉升，在整个过程中晶种并不像提拉法进行旋转，仅以控制冷却速率方式使单晶从上方逐渐往下凝固，最后凝固成一个单晶锭。

目前国内外多数生长蓝宝石厂商主要也是采用泡生法或改良泡生法来生长蓝宝石单晶。泡生法在晶体生长过程中，因为除了晶颈需要加以拉升以外，其余部分只需控制温度（电压）的变化，即可使晶体长晶完成，减少了向上拉升和旋转的外力干扰，机械应力较小，因而所获得的晶体品质较佳也较易于控制，其产出晶体缺陷密度远低于提拉法生长的晶体，符合产业界的要求。

泡生法装置示意图

7.改良泡生法（IKY)

改良泡生法（Improved Kyropoulos Method，IKY)是基于Menisk现象对泡生法生长蓝宝石晶体的下晶种和拉晶颈技术进行改进，并配以先进的蓝宝石长晶控制系统来生长蓝宝石晶体的方法。与泡生法相比，改良泡生法对泡生法的改进主要在于下晶种和拉晶颈技术的改进以及长晶炉控制系统的创新。改良泡生法生长的蓝宝石晶体良率更高，晶体缺陷更少，整个长晶控制系统更加稳定，能够生长大尺寸高质量的蓝宝石晶体，满足LED产业的蓝宝石衬底要求。在提高蓝宝石晶体成品率的同时，又降低了产品的价格，成为产业界广泛推广的蓝宝石晶体生长技术。

大尺寸蓝宝石单晶

综上所述，几种蓝宝石生长技术的优缺点对比如下表：

总结

以上这些蓝宝石长晶方法中，泡生法、冷心放肩微量提拉法和热交换法都可以生长大尺寸的蓝宝石单晶。着眼于低成本、高质量和大尺寸的发展思路，目前多采用对泡生法进行改进，创新蓝宝石长晶炉自动化控制系统和下晶种技术，从而在泡生法基础上形成一种新的蓝宝石长晶方法，即改良泡生法。当前，泡生法或者基于泡生法的改进方法生长的蓝宝石晶体市场占有率达到80%以上，一定时间内都将是蓝宝石晶体生长的主流方法。

参考来源：

1. 改良泡生法生长大尺寸蓝宝石晶体的研究及应用，张燕飞（北京大学）；

2. 改良泡生法生长720 kg级大尺寸蓝宝石晶体，康森、鲁雅荣、石天虎、滕斌、宽军、李―璐、郝文娟、段斌斌（1.天通银厦新材料有限公司；2.天通控股股份有限公司）；

3. 导模法生长超大尺寸蓝宝石板材的研究，王东海、徐军、李东振、王庆国、罗平、董建树、潘燕萍（1.同济大学物理科学与工程学院；2.南京同溧晶体材料研究院；3.常州市乐萌压力容器有限公司）。

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