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激光晶體

國內(nèi)外藍(lán)寶石市場現(xiàn)狀及生長方法介紹

星之球激光 來源:中國光電行業(yè)網(wǎng)2011-08-19 我要評論(0 )   

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...

      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(jià),直接影響了LED芯片及封裝價(jià)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(shí)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(shí)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(jià)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(shí)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(jià)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(shí)隔數(shù)年又重新掌握了定價(jià)的主導(dǎo)權(quán)。而且,他們可以將價(jià)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(jià)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(jià)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(cuò)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:

 

2009

2010E

2011E

Rubicon(萬毫米)

500

600

900

Monocrystsal(萬毫米)

400

450

675

STC(萬毫米)

300

500

750

越峰(萬毫米)

108

160

300

其他(萬毫米)

400

450

900

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

廠家名稱

2英寸基板厚度

美國crystal systems

(330-430μm-25μm,330-430μm+25μm)

俄羅斯cradley crystals

(330-430μm-25μm,330-430μm+25μm)

臺灣兆晶科技股份有限公司

(330-430μm-25μm330-430μm+25μm)

臺灣中美矽晶制品股份有限公司

(430μm-25μm,430μm+25μm)

#p#分頁標(biāo)題#e#

 對于新增設(shè)備,安裝需要3~6個(gè)月的時(shí)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(gè)月的時(shí)間。

同時(shí),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(gè)方面:

用途

備注

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

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

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(jià)格的價(jià)格,造成終端產(chǎn)品價(jià)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(shí)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(shí)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(gè)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(cuò)大大減少,降低擴(kuò)肩后生長晶體的位錯(cuò)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(dòng)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(shí)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(shí),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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