一文看懂蓝宝石及蓝宝石玻璃长晶技术Sapphire Crystal，加工技术，产业链及趋势

蓝宝石晶体介绍

蓝宝石英文名称为Sapphire，源于拉丁文Spphins，意思是蓝色；属于刚族矿物，三方晶系。

宝石界将红宝石之外的各色宝石级刚玉都称为蓝宝石。

蓝宝石晶体，化学成分为氧化铝，化学式(α-Al2O3)，是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。

α-Al2O3 分子结构黑点：氧离子 白点：Al 离子

蓝宝石单晶是一种简单配位型氧化物晶体，呈各向异性，属六方晶系。

晶格参数：a=b=4.758A（0.4758nm），c=12.991A（1.2991 nm）， α=β=90°，γ=120°；

折射率：1.762-1.770；

双折射：0.008~0.010。

化学性质：蓝宝石晶体化学性质非常稳定，一般不溶于水和不受酸、碱腐蚀，只有在较高温度下(300℃)可为氢氟酸、磷酸和熔化的氢氧化钾所侵蚀。

物理性质：蓝宝石晶体硬度很高，为莫氏硬度9级，仅次于最硬的金刚石。它具有很好的透光性，热传导性和电气绝缘性，力学机械性能好，并且具有耐磨和抗风蚀的特点。蓝宝石晶体的熔点为2050℃，沸点3500℃，最高工作温度可达1900℃。

自然界蓝宝石

就颜色而言，单纯的氧化铝结晶是呈现透明无色的，因不同显色元素离子渗透于生长中的蓝宝石，因而使蓝宝石显出不同的颜色。在自然界中当蓝宝石在生长时：

1. 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)。

2. 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)。

3. 当晶体内含有镍离子(Ni3+)时，会使晶体呈现黄色，而成为黄色蓝宝石。

像海洋之星，非洲之星，天使之泪等都属于天然宝石。

人造蓝宝石－－蓝宝石玻璃

蓝宝石玻璃(SAPPHIRE CRYSTAL)一般是指人工合成的蓝宝石，与人们平常理解的珠宝——天然蓝宝石有着很大的区别，一般用于腕表镜面的制造。它与钨钛合金和高科技陶瓷都是抗磨损的材料。这些材料虽能抗磨损，但却不能承受强力撞击，同时一些硬度相同或更高的物质(例如：磨石，砂纸，指甲挫，花岗石面，混凝土墙面及地面等)都有可能 会刮花这些材料的表面。

蓝宝石是刚玉宝石中除红色的红宝石之外，其它颜色刚玉宝石的通称，主要成分是氧化铝（Al2O3）。蓝宝石玻璃是指人工合成的蓝宝石，在实验室里可以很容易和便宜地生产出宝石级的蓝宝石，其化学成分和物理性质与天然蓝宝石相同。

蓝宝石晶体作为一种重要的技术晶体，已被广泛地应用于科学技术、国防与民用工业、电子技术的许多领域。

应用范围极广，蓝宝石玻璃，类似刚玉成分,硬度为9,可以通过添加各种化学元素,生成各种之颜色.而现在常用的是无色的。它的优点较普通玻璃硬度更高，价格也相对较高，主要用于制作高档手表的表镜。

蓝宝石玻璃/红宝石玻璃有着很好的热特性，极好的电气特性和介电特性，并且防化学腐蚀，它耐高温，导热好，硬度高，透红外，化学稳定性好。

因此常用它来代替其它光学材料制作光学元件、透红外线光学窗片，并被广泛地应用于红外及远红外军用装备方面，如：应用于夜视红外和远红外瞄准镜、夜视摄像机等仪器和卫星、空间技术的仪器仪表中以及用作高功率激光器的窗口、各种光学棱镜、光学窗口、UV和IR窗口及透镜、低温实验的观察口，在航海航天航空用高精密仪器仪表等方面得到充分应用。

人工蓝宝石合成工艺

基本流程：

人工蓝宝石的制作流程：准备原料→填充原料及架设晶种→炉体抽真空→炉体加热（炉体加入钼隔热屏和钨隔热屏）→原料熔化→熔接晶种→晶颈生长→晶体生长→晶体与坩埚分离（这里面的坩埚大多是耐高温的 ）→冷却→取出晶体。

基本工艺：

世界上目前的长晶工艺主要有两种，一种是源自前苏联的长晶工艺：泡生法；另一种是源自美国的长晶工艺：水热交换法。

提拉法

原料：纯度不小于99.996%的Al2O3粉体或者块料；

参数：

加热炉内温度恒定；

控制好提拉速率与转速；

加热前，炉内真空度应保持1.33×10-3—4.00×10-2Pa，然后充入纯度为99.99%以上的氩气保护气氛。

泡生法

原料加热至熔点后熔化形成熔体，再以单晶的籽晶(Seed Crystal，又称籽晶棒)接触到熔体表面，在籽晶与熔体的固液界面上开始生长和籽晶相同晶体结构的单晶，籽晶以极缓慢的速度往上拉升，但在籽晶往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔体与籽晶界面的凝固速率稳定后，籽晶便不再拉升，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。

热交换法

原理：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，同时再藉由控制热交换器内气体（一般为氦气）流量的大小以及改变加热功率的高低来控制此温度梯度，使坩埚内熔体由下慢慢向上凝固成晶体。

炉体如下

原理图

蓝宝石衬底加工

蓝宝石晶片后加工工艺

通用制程：CNC－抛光－清洗－退火－表面处理（镀膜），这都是和金属加工类似，设备和参数略有差异而已。

1 、蓝宝石加工工艺及存在问题

由于蓝宝石硬度高且脆性大，对其进行机械加工非常困难，镜面加工技术更加复杂，是当今重点研究课题之一。

目前我国蓝宝石镜面加工工艺在批量生产中有如下不足之处。

a、加工过程中宝石片缺角比例较高，占总数的5%～8%。

b、研磨及抛光后，宝石片表面划痕较重，有20%左右的宝石片表面有粗深痕迹，需要重新研磨抛光，这样就有部分宝石片厚度偏薄致废，且影响生产节奏。

c、因返工及报废，宝石片加工成本很高，平均每片加工成本315元，在国际市场上缺乏竞争力。

2 、工艺改进

针对存在的问题，对现有工艺进行了认真分析，并反复试验，从设备、工具、辅料、环境等方面作了如下改进。

a、下料。采用定向切片，沿着一定的晶向切割，可明显减少宝石片外周磨削时大缺角的发生率。

b、外周磨削。如图1所示，改用砂轮轴线固定不动，通过改变配重7的前后位置(L) ，来调节施加在宝石片4上的进给力F的大小，这样磨削时进给力均匀，明显减少成品的细小缺角比例。同时，通过更换靠模2可精确加工各种非圆形宝石片。

图1 　外周磨削成型加工原理图

1、支承圆盘　2、靠模　3、配重杆　4、宝石片　5、青铜金刚石砂轮　6、成型电镀金刚石砂轮　7、配重

c、周边倒角。用成型电镀金刚石砂轮，并列放置于外周磨削砂轮边上(如图1 所示) ，也靠配重调整宝石片磨削进给力，既减少宝石片缺角，又提高生产效率。

d、斜面研磨。对圆形宝石片，用球面研磨头，配以研磨膏来研磨，研磨原理如图2 所示。

图2 　研磨斜面原理图

球面研磨头旋向Ⅰ与宝石片的旋向Ⅱ相反，同时研磨头作水平摆动Ⅲ，这样磨出的才是斜面，而不是球面。

研磨头内的球面半径(R)与宝石片斜面倾角(θ)的关系大致为:

研磨头用灰铸铁制成，利用材料自身的细微孔洞来包容研磨膏中的金刚石微粉进行研磨，同时本身也有一定的耐磨性。在研磨一定数量宝石片后，研磨头球面有变形，需要在数控车床上车出新的R球面再进行研磨。

研磨膏由W3的金刚石微粉、油脂、色拉油等按一定比例调配而成。

用此法研磨出的宝石片斜面尺寸均匀稳定，表面粗糙度小，而且效率是手工研磨的10～15倍。

e、平面研磨。在图3所示的平面研磨机上，把研磨盘上面车成螺纹(螺纹的形状及参数经试验确定)。目的是利用螺纹槽贮存新的研磨液，通过研磨盘的旋转Ⅰ把研磨液甩到盘面与工件加工盘之间参与研磨，同时使用过的研磨液通过螺旋槽排出。

图3 　平面研磨原理图

为了除去上道工序(平面磨削)的加工痕迹，本工序的研磨量应达到8～10μm ，故采用纯铜作为研磨盘材料，研磨液由色拉油、煤油、W1的球状聚晶金刚石微粉等调制而成。用球状金刚石微粉的目的是使研磨痕迹深度均匀。

在研磨临近结束时，在研磨盘上添加色拉油(即不含金刚石微粉的研磨液)，以达到光整表面的作用。

在研磨过程中，加工盘是随研磨盘的转动Ⅰ而转动Ⅱ，而且加工盘的外边线速度大，故外边研磨量也大，所以需要在上道工序中，把加工盘上宝石片磨成外边高内边低，才能使研磨后的盘面趋于平坦，不至于外塌，否则会影响下道镜面研磨工序的表面研磨质量。

因研磨中温度较高，故底盘内通冷却水来冷却研磨盘。研磨机也应放在恒温环境中。

f、镜面抛光。在图4 所示的双面抛光机上进行机械化学抛光。

为了使抛光中工件运动轨迹复杂化(尽量不重复)，宝石片放在支承架内，支承架作为由中心齿轮(外齿轮)和中心齿轮(内齿轮)所构成的差动轮系中的行星齿轮。只要改变轴的运动(Ⅰ和Ⅱ) ，即可获得不同支承架的运动轨迹。

为了提高机械抛光效果，给宝石片上下面施加一定的压力F；为了提高化学抛光效果，需调整抛光液(P)的pH值，同时使抛光液循环流动。

g、清洗。由于研磨过程中宝石片是粘在加工盘上的，会形成凹槽，手工清洗时刷子很难将凹槽中的微粉洗净，造成死角，容易把上道工序中使用的较粗金刚石微粉带到下道工序中，造成研磨、抛光时出现异常的粗深痕迹，导致返工，影响加工质量。现将每道清洗改用超声波清洗+超声波漂洗，明显改善了清洗效果，有效地防止了上道工序中微粉带入下道工序。

图4 　双面抛光原理图

h、环境。因在研磨过程中有恒温要求，故对整个加工环境安装空调。为防止金刚石微粉(或蓝宝石微粒) 在空气中飘动对研磨造成不利影响，故需合理布置空调出风口与进风口位置，使风从精加工工序向粗加工工序方向吹去，同时使循环空气经水过滤去除尘埃。

3、改进工艺后宝石片的加工效果

a、宝石片的缺角不良品率、尺寸不良品率由原来的6%降至015%以下；宝石片表面质量明显提高，A级品(表面粗糙度的要求为Ra<0101μm ，在100W白炽灯黑背景下，用7倍放大镜观察不到加工痕迹) 率由原来的60%提高到95%以上。

b、生产能力从原来每班400片增加到1200片。

c、宝石片平均加工成本从原来的315元降至218元，提高了产品市场竞争能力。

在对蓝宝石镜面加工工艺的试验研究中取得的一些经验参数，对其它超硬材料(精密陶瓷、水晶、MgAl2O4晶体等)的镜面加工也有一定的参考价值。

蓝宝石玻璃产业链

蓝宝石由于具有高硬度、耐磨性、高温稳定性等特点，是LED产品最主要的衬底材料，有超过95%的LED衬底都是选用蓝宝石，其它少部分选用硅(Si)、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。下面，我们就通过一张图了解蓝宝石（Al2O3）产业链的情况，企业排名不分先后。

蓝宝石（Al2O3）产业链包括上游的原辅材料高纯氧化铝、金刚切割线、钨钼坩埚、磨料、抛光液等环节，中游的长晶设备、长晶、切割等环节，下游的应用环节，包括LED、手机屏、摄像头保护玻璃等，其中LED衬底材料用量最大，占比近80%。

上游环节

上游 原材料环节

高纯氧化铝：LED蓝宝石使用的高纯氧化铝对纯度、杂质、产品稳定性要求严格，需要使用4N5的高纯超细氧化铝来制作晶棒。根据行业经验，每万片LED蓝宝石衬底（2寸计）需要消耗大约500kg高纯氧化铝。据CSA Research统计，2017年国内外延芯片月供给量超过1000万片（2寸计），（参考往期《我国LED外延芯片环节市场概况》）如果再算上良率和切削损耗，实际消耗的高纯氧化铝的量更大。

主要企业：国内的生产企业包括山东铝业和山铝颐丰等；国外的主要包括住友化学和南非萨索尔。

坩埚：主要企业包括厦门钨业、湖南有色、安泰科技。

安泰科技：是钢研集团旗下公司，在热场材料方面实力较强。于2016年收购天龙钨钼100%股权完成并整合原有资产后，难熔材料产能与奥地利 Plansee 和德国H.C. Starck位居世界前列。公司目前两大项目为“LED 半导体配套难熔材料产业化项目”和天津天龙“年产5,000 吨钨钼精深加工高端产品项目” 。

金刚线：主要企业包括长沙岱勒和豫金刚石。据行业经验统计，每一片 2寸 LED蓝宝石底衬需要消耗约 7米的微米钻石线，以2017年国内外延芯片月供给量超过1000万片（2寸计）计算，仅LED蓝宝衬底行业对金刚线需求就接近10亿米 。

长沙岱勒新材：通过自主研发逐渐掌握核心技术，关键设备投资成本仅为国外设备的1/5，为蓝宝石金刚线行业龙头，2016 产品市占率达34%。主要客户包括隆基股份、俄罗斯Monocrystal、蓝思科技、云南蓝晶、奥瑞德、水晶光电、贵阳皓天、重庆四联、盛机电、青岛嘉星晶电科技等。

豫金刚石：公司在宝石级人造钻产业布局，在微米钻石线业务方面，公司年产 3.5 亿微米钻石线项目于16年3月投产，主要用于LED蓝宝石衬底切割。

中游环节

中游——设备环节

晶盛机电：公司为国内晶体硅生长设备龙头，2012年开始涉足蓝宝石行业。今年3月，控股子公司晶环电子使用泡生法成功生长出450公斤级蓝宝石晶体，可应用于LED的4寸晶棒有效长度超过4000mm以上。这颗超大尺寸蓝宝石晶体的诞生是我国蓝宝石晶体生长领域的重大突破，标志着晶盛机电的泡生法蓝宝石晶体技术和能力达到了世界先进水平。

奥瑞德：公司自2006 年设立以来一直从事蓝宝石晶体材料及设备的研发、生产、制备与生产，主要产品包括蓝宝石晶棒、蓝宝石晶片、蓝宝石晶块以及单晶炉。于2015 年12 月收购硬脆材料加工设备商江西新航科技100%股权，公司目前在蓝宝石长晶环节规模化生产和单晶炉装备制造上具备行业领先优势。

天通股份：公司在泡生法基础上对蓝宝石生长工艺和设备进行了自主改进，目前具备稳定生产120-160kg级别蓝宝石大晶体能力，技术、装备水平均处于业内领先。近期对全资子公司天通吉成增资1亿元并对外投资设立合资公司，未来将重点从事CMP抛光研磨设备的开发。

中游——长晶、加工环节

境外：主要七大长晶厂商：俄罗斯Monocrystal、韩国STC、美国Rubicon、台湾台聚光电、台湾鑫晶钻、日本namiki、日本kyocera。

境内：2009年蓝宝石市场启动前，国内就几家：奥瑞德，云南蓝晶，重庆四联，浙江巨化，元亮科技等。随着近几年LED产业的蓬勃发展，对蓝宝石衬底需求加大，目前国内长晶、加工的企业较多，图中列出了主要企业。

经初步统计，2017年PSS出货量靠前的主要企业有：东莞中图、福建晶安、东晶博兰特、浙江水晶、徐州同鑫；蓝宝石平片出货量靠前的主要企业有：福建晶安、云南蓝晶、奥瑞德秋冠、浙江天通、江苏吉星。

下游环节

下游 应用环节

从蓝宝石下游应用来看，主要用作LED 照明设备衬底、各类消费电子产品和高档手表屏幕、智能穿戴设备防护屏、高端军工设备等。

LED衬底方面：蓝宝石的LED衬底主要用于生长LED 外延材料，制作氮化镓（GaN）基的外延片，这一生长过程主要是在金属有机化学气相沉积外延炉（MOCVD）中完成。常用的其它衬底还有碳化硅和硅衬底，其中以蓝宝石为主，有接近95%的衬底皆是蓝宝石衬底。

消费电子方面：手机的Home键和摄像头、Smart Watch的盖板、手机盖板等。竞争格局相对比较集中，具备较高的行业进入壁垒。

军工领域：蓝宝石材料在性能方面的独特优势使其成为透波窗口、整流罩、光电窗口、护板、陀螺、耐磨轴承等部件不可替代的材料，如利用蓝宝石材料制备的光电窗口透过率高，耐盐雾、霉菌、雨蚀、耐磨损等特性。另外，其较高的结构强度特性在系统减重方面有着很大的优势。

2024 蓝宝石市场预测

根据天晶光学发布的题为“合成蓝宝石市场：全球行业分析和预测2017-2024”的最新市场报告，截至2017年底全球合成蓝宝石销售收入估计估值为4,864.3万美元在2016 - 2024年的预测期内，预计将以8.4％的复合年增长率增长。到2024年，全球合成蓝宝石市场预计价值9,255.7万美元。

合成蓝宝石是氧化铝，也称为刚玉或α-氧化铝。它化学惰性，坚硬，热稳定至1600℃，熔化温度为2050℃。采用Verneuil，Czochralski（CZ），热交换器五种方法中的一种从高纯度氧化铝（纯度> 99.99％）制造方法（HEM），边缘定义的电影增长（EFG）和Kyropoulos，其中EFG和Kyropoulos方法最受欢迎，并且大多数内部修改以增加产量。硬度计（Mohs）上的合成蓝宝石位于9上，这是继金刚石之后的下一个最坚硬的材料，具有优异的物理和化学性质。合成蓝宝石的耐磨性和耐刮擦性被认为是独一无二的。蓝宝石水晶晶锭经过一系列加工步骤，如钻孔，切片，研磨，

由于蓝宝石种植者正在研究处于发展阶段的新应用，蓝宝石产品的需求有望超越LED作为其主要应用。这是因为蓝宝石是各向异性材料，其机械和热性能取决于晶体生长方向及其后续加工。因此，特殊的混合特性使蓝宝石成为LED制造和半导体的理想材料。而且，与其他光学材料相比，蓝宝石具有优异的辐射稳定性水平，因此来自各种工业部门的需求很强。诸如政府政策和法规的属性，比白炽灯和CFL更喜欢LED照明，

亚太地区在2017年占全球合成蓝宝石市场的最大份额，预计在预测期内的价值复合年增长率为8.6％。预计2016年至2024年中国合成蓝宝石的销售量将增长1.8倍。就价值和销量而言，亚太地区预计将在预测期内实现最高增长，其次是欧洲。

京瓷株式会社，圣戈班，天晶光学，并木精密宝石有限公司和Juropol SP。z oo是全球合成蓝宝石市场的一些主要参与者。

合成蓝宝石制造商和制造商正在紧密合作以满足最终用途需求，尤其是用于LED基板的蓝宝石是一个关键的增长领域。加工厂主要在亚太地区设立，市场参与者不断改进蓝宝石生长方法，以提高蓝宝石产量。