蓝宝石产业研究

光电与显示2018-09-02 14:30:53

1. 物理特性优良的蓝宝石材料:

蓝宝石集优良光学、物理、化学性能于一身。蓝石(Al2O3) 其晶体结构为六方晶格结构,常被应用的切面有 A-Plane、C-Plane和R-Plane,是一种集优良光学性能、物理性能和化学性能于一身的独特晶体。
蓝宝石晶体是现代工业重要的基础材料,蓝宝石强度高、硬度大、耐冲刷,被广泛应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光窗口材料。其独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热学性能使蓝宝石晶体成为实际应用的半导体
GaN/Al2O3 发光二极管(LED) ,大规模集成电路 SOI 和SOS 及超导纳米结构薄膜等最为理想的衬底材料。
此外蓝宝石是世界上硬度仅次于金刚石的最坚硬材料,莫氏硬度达到 9。
由于蓝宝石的光学穿透带很宽,从近紫外光到中红外线都具有很好的透光性,因此被大量用在光电元件中。随着现代科学技术的发展,对蓝宝石晶体材料的尺寸及质量不断提出更高的要求。

2. LED、消费电子驱动蓝宝石市场爆发
蓝宝石由于性能优良是最为理想的衬底材料,并且被广泛应用于光电元件中。蓝宝石的应用领域主要涉及衬底材料,军事、武器方面的应用及消费性电子智能终端等。
衬底依旧是蓝宝石的重要应用领域,以LED衬底材料为主。目前来看,蓝宝石衬底材料应用为蓝宝石的最主要应用,按照法国 Yole 统计,蓝宝石衬底材料应用占比约75%,非衬底材料应用占比约25%。其中衬底材料中主要是半导体照明(LED )衬底材料及 SOS 相关产品使用,其中 LED 衬底材料占比约 95% 以上。
非衬底材料主要军事、武器相关应用较多,在消费性电子终端应用较少,主要是由于价格较高, 2 寸衬底原片,曾经高达 35美金左右/片。但是随着 2010 年来的全球大规模的扩产,蓝宝石价格一路走低,最低跌至不足7 美元,大大拓展蓝宝石在消费性电子终端的应用。根据全球市场研究机构 Trend Force 的预测,在non-LED 领域的应用2013 年约占22%,2014年将达到36%。其中用于iPhone 的Home 键和镜头的比例2014 预计可达10% 。

2.1 LED 应用目前是蓝宝石市场的主要驱动力
蓝宝石是LED上游衬底材料的最优选择。LED 是一种节能环保、寿命长和多用途的光源,其能量转换效率大大高于白炽灯和节能灯。衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石,不同的衬底材料,需要不同的外延生长技术、芯片加工技术和器件封装技术,衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。
衬底材料的选择取决于很多条件,目前只能通过外延生长技术的变更和器件加工工艺的调整来适应不同衬底上的半导体发光器件的研发和生产。目前能用于生产的衬底只有三种,即蓝宝石 Al2O3 衬底和碳化硅 SiC 衬底以及 Si 衬底,另外还有和锗等。蓝宝石的性价比不断提升将成为 LED 上游衬底材料的最优选择。
2014 年LED照明进入爆发期。LED 照明企业在 2012 年遭到了滑铁卢,但是随着大环境的稳定,各国白炽灯禁售等 LED 利好政策的陆续出台,2013 年企业利润率回升,LED 照明市场从低谷呈现反弹迹象,迅猛发展。
2013年四季度以来,我们可以LED 照明需求持续提升,产业盈利能力快速提升。从台湾 LED 行业公司月度销售数据看目前这一成长趋势仍在加强。预计随着照明需求的爆发,产业将迎来快速成长期。
伴随着这一轮景气恢复,也带动了对上游蓝宝石衬底的需求回升。蓝宝石衬底在2010 年底曾经经历过一轮疯狂的涨价,一片 2” 片的价格曾经达到过 35 美元,随着行业供需的失衡,最低跌到7 美元,已经低于厂商的生产成本。晶棒方面更是曾经跌到2.1 美元/mm ,近期已经涨到4 美元,预计今年可望达到 4.5-5美元的水平,相比3 美元/mm 的成本已有较为不错的利润空间。
从长期来看,LED 照明已经进入三年的黄金时代,需求进入快速增长阶段,需求将继续驱动行业高速成长。根据 HIS Research 测算,预计全球 LED 照明芯片市场规模将持续高速成长,预计到 2015年将达到 61亿美元,整体 LED 芯片市场将达到126 亿美元。
大幅度产值的提升主要得益于LED在普通照明市场的快速渗透。2014 年将是LED 照明大举渗透商办市场和户外市场的时点,期盼已久的LED 照明时代可谓在2013 年底正式开启,并且在 2014 年继续处于上升通道。由于照明细分市场的消费群体特质不同,LED 在各市场上的渗透速度不尽相同。
麦肯锡咨询公司调查分析将普通照明市场划分为三大类:家用照明、商办照明和户外照明。麦肯锡预测 2010 年至2016 年LED 在各市场的渗透率都将有较大幅度的提升,其中家用市场从 6%上升至49% ,户外照明从 5%上升至 40% ,而商用照明将呈现最大的发展,从 2%上升至51% 。这一渗透的过程即是 LED 与各细分市场主导地位产品相互较量的过程。只有当商办市场和家用市场大规模使用 LED 灯源时,我们才可真正称 LED 照明时代开启了。
麦肯锡报告称 2012年,中国占亚洲照明市场的 45% ,而中国照明市场的 12% 则来自LED 照明。据麦肯锡公司预测,从现在起到2016 年,中国LED通用照明市场的复合年均增长率将达43% 。2013年之后将是 LED 照明的爆发期,到 2016 年,中国照明市场容量将达到 1274 亿元,平均增速为 13% 左右,而LED 通用市场将达到568 亿元,平均增速将达到 50% 以上。
根据高工LED 统计,2013 年中国国内 MOCVD 机台已经达到 1017 台,随着全球需求的持续增长,中国地区的投资进度仍将快于全球,中国地区 MOCVD 机台占比将继续提升到 2015 年的 40% 。
而从整体LED 产业的制造能力来看,目前中国大陆已经占到全球的 LED 产业的27% ,领先排位第二的台湾的 22% ,中国已经成为 LED 产业当之无愧的全球制造工厂。
大尺寸蓝宝石衬底未来将成为主流趋势。蓝宝石的应用尺寸逐渐由两英寸向四英寸过渡,未来可期更大尺寸的技术。大尺寸晶棒可以降低原材料的损耗,6 英寸的圆晶生产的芯片是 2 英寸圆晶的 10 ~12 倍,然而几何面积增加只有 2 英寸圆晶的9 倍,圆晶曲率的下降带来的“边缘效应”可以在外周形成更多的芯片。国际大厂俄罗斯的 Monocrystal 发布了C-Plane 的10 英寸 LED 蓝宝石衬底材料,意味在未来随着半导体照明市场的高速成长,技术较为成熟的蓝宝石衬底将迈向更大尺寸。在台湾、日本和欧美,典型生产商已经在从 4 英寸向 6 英寸过渡,国内一些小企业由于不具备向 6 英寸转换的技术和人才,因此仍然以 2 英寸圆晶为主。目前,6英寸圆晶的占比还比较低,预计2016 年前后占比会大幅提升至30% ~40% ,LG、Lumileds ,OSRAM Opto 和Gree 将会是 6 英寸圆晶的主要供应商。
厂商出于降低成本的考虑,将逐步向大尺寸衬底过渡。生产高质量、大尺寸的蓝宝石衬底的生产过程对上游的生产工艺和设备要求水品都要高很多。克服生产工艺上的困难一定程度上会增加成本,但生产大尺寸晶体更能与现有半导体公司的制造工艺和专业知识接轨,由规模经济带来整体成本的下降。向6 英寸过渡是整个产业发展的趋势,旨在降低生产成本扩大产品的应用范围。对于蓝宝石晶棒来说,LED 应用范围扩大会拉动需求,大尺寸圆晶厚度增加也会拉动对材料的需求。因此,在此种行业趋势下,拥有大尺寸蓝宝石生产能力的公司或者提前布局大尺寸领域的公司将受益。根据Yole Development 的预测,到2015年,4 寸以上的蓝宝石晶片需求将达到整个行业的82%份额。
根据我们对 LED 行业的预测,预计未来 5 年内LED 照明市场将保持 50% 左右的复合增长速度,整体 LED 市场保持30% 左右的复合增长速度,也即驱动应用于 LED的蓝宝石市场需求宝石 30% 的增长速度。

2.2 消费电子应用为蓝宝石市场提供广阔想象空间

指纹识别给先进封装和蓝宝石行业带来了新的需求。
随着消费者对手机拍照功能需求的不断提高,苹果公司一方面从手机像素内部构件提升性能,另一方面也通过在新推出的 iPhone 设备中全面使用的高透光性的双抛光蓝宝石作为镜头保护盖来进一步提高音像的清晰性。
苹果iPhone 5S 的三大硬件创新在于指纹识别、处理器和摄像头。作为智能手机行业潮流引领者的苹果公司,其发展方向常常成为整个行业转变的风向标。这一创新同样也引起了手机其他厂商的效仿。
目前,除苹果外,韩系品牌 LG和三星在高阶机种中也先行导入,中国品牌如中兴、华为,台厂宏达电等也处于积极的研发中。除此之外,为了配合指纹辨识系统使用,适应防刮抗污和高透光性的要求,蓝宝石将是智能手机新产品Home 键的最佳的材质选择。

可穿戴设备的兴起为蓝宝石应用带来新空间
在智能手机竞争格局初定的形势下,智能可穿戴设备浪潮迅速席卷整个互联网市场。自去年 Google Glass 发布以来,移动可穿戴设备成为市场焦点。在最近美国的CES 2014 电子消费展中可穿戴设备大放异彩,不少便使用了蓝宝石来制造,如Wellograph 公司推出的 Sapphire 健康手表的屏幕便采用了蓝宝石。
可穿戴设备成为未来移动设备主流只是时间问题,部分智能可穿戴设备需要与手机相连,但综合性智能终端具备更强大的功能和更强的独立性,将成为可穿戴设备的主导产品。这类终端为方便人机交互,都需配备显示设备和各类窗口,将成为蓝宝石又一大新兴应用领域。
自去年Google Glass 发布以来,移动可穿戴设备成为市场焦点可穿戴设备成为未来移动设备主流只是时间问题。我们预计,未来几年年将成为穿戴式设备爆发元年,预期各类穿戴式设备出货量将超过 1 亿支,同比增速超过 100%。预计到2018年全球穿戴式设备出货量将超过 3 亿只。
从市场空间来看,直观上可能被穿戴式产品替代的产品包括手表、墨镜等市场,2012 年全球手表、墨镜市场规模已经达到 810 亿美元。未来一代穿戴式电子产品成为主流趋势,传统手表、墨镜市场可能面临极大的替代风险,也成为穿戴式设备中智能手表、智能眼镜市场空间可期待的数字。
如果蓝宝石晶片能在可穿戴设备上得到广泛应用,这将进一步刺激蓝宝石的需求空间,让蓝宝石行业充满无限想象。
目前苹果的蓝宝石材料主要来自韩国STC ,以及俄罗斯monocrystal 和日本并木,后端加工在贝恩光学、蓝思科技(这两家为目前苹果 Cover Lens 主力供应商)完成。
真正令市场兴奋的当然不仅仅止于Home 键和摄像头盖片,未来蓝宝石材料在iWatch 、iPhone 正面视窗材料、甚至 iPhone 机身材料的应用可能才是市场关注的重点。
针对这一问题我们尝试做一些简单的测算。根据我们了解的信息是一些简单几何原理,我们大概可以知道一片 2” 衬底片大约可以分切为 16 片Home键,一片6” 衬底片大约可以分切为 2 片4.7” 手机视窗,恰好为目前市场的 iPhone 6 尺寸。如果依据市场的另一款 5.5寸手机则一片 6” 片只能切出 1 片。

Best Guess
那么根据目前我们得到的信息和作出的测算,什么是我们的“Best Guess ”呢?我们预测在不考虑重大技术变化的前提下,今年 iWatch 将使用蓝宝石作为视窗材料,而 iPhone 可能 10%-20% 高端版 iPhone 中会有部分使用蓝宝石面板。
但是从长期看,在未来苹果公司大概率会在智能终端领域继续推进蓝宝石替代玻璃做为的保护盖, 从而会引领蓝宝石的使用潮流,刺激蓝宝石行业的生产加工设备预计蓝宝石材料的大量需求。
同时,当蓝宝石达到一定的规模优势,并伴随着在生产技术发面的改进,成本讲进一步降低。当成本降低到一定水平之下,蓝宝石材料会从高端应用领域进入到中低端领域,直接进入高速的成长阶段。
考虑到蓝宝石在传统手表中的应用主要使用焰熔法生产,质量差、尺寸小、工艺简单,与目前的 LED 衬底和消费电子应用完全属于不同市场区间。
我们根据 LED 衬底和消费电子需求,预计到 2018 年,全球蓝宝石材料的市场将从2013 年的14.7 亿人民币增长到141.5 亿人民币,平均每年复合增长速度达到57%。

2.3 军工、半导体应用存在发展潜力

SOS (Silicon on Sapphire)领域中蓝宝石衬底的需求
蓝宝石射频集成电路衬底市场容量目前小于 LED 衬底市场,但是可能随着SOS 这种颠覆性的技术而发生变化。SOS 微电子电路,是指在蓝宝石晶片的晶面上用异质外延方法生长一层硅单晶膜,然后再在硅单晶膜上制作半导体器件的技术。
因SOS 微电子电路具有高速度、低功耗和抗辐照等优点,高度绝缘的蓝宝石是其优良性能的主要来源。在手表型移动电话,台式电脑或笔记本电脑,高速、高频无线电通讯,小卫星、宇宙飞船和航天飞机的发展中都具有特别重要的应用。近两年SOS 在智能手机领域的渗透率快速提升,逐步挤占砷化镓芯片的市场份额。随着SOS 在其他领域的渗透,蓝宝石衬底的需求会快速提升。
蓝宝石单晶作为一种优良透波材料,在紫外、可见光、红外波段、微波都具有良好的透波率,可以满足多模式复合制导(电视、红外成像、雷达等)的要求;同时蓝宝石单晶具有优良的机械性能、化学稳定性,耐高温性能好,强度高、硬度大,可以同时满足超高音速导弹对透波材料的苛刻要求。在材料的制备工艺方面蓝宝石可以生长单晶,然后加工成型,成品性能与单晶性能相同,而其它材料主要利用粉末热压铸烧结成型,其在性能上比原来的要稍低。因此,蓝宝石单晶已成为先进国家高速战斗机、导弹等中波透红外窗口材料的极佳选择。美国、英国、俄罗斯、以色列等军事强国都在极力开展大尺寸的蓝宝石红外窗口研究,而且已经实现¢300-500mm 蓝宝石晶体或¢120mm以上半球状蓝宝石整流罩的制备能力,应用于美国响尾蛇系列 Aim-9X空空导弹、南非 A-Darter 空空导弹、以色列 Python-4 空空导弹、英国 Asraam先进近距离空空导弹等。
蓝宝石窗口作为一个性能优良的宽波段光学材料在军用光电设备上的应用,其时间并不很长。在 60年代,美国军事部门已经对此虽有所研究,但蓝宝石窗口真正获得较大范围的应用和发展是在 80年代,这与计算机控制的光学加工机床的发展是密切相关的。日前,在一些报道中我们可看到一些非常明确的应用。例如 2001 年,美国军方向 Exotic 光电分公司订购了 88 件蓝宝石窗口,装备 F-16 战斗机的机载前视红外目标导航吊舱。2000 年英国泰利斯光电子签订了 3300 万美元的光电桅杆合同,生产6 根CM010光电桅杆。CM010光电桅杆的观察窗口全部采用蓝宝石晶体。美国新一代战斗机 F-35 联合攻击战斗机光电跟踪系统(Electro-Optical Targeting System,EOTS)窗口由 7 块表面镀膜的蓝宝石晶片组成,可提供 360 度全向视野。

激光基质、光学元件及其它用途
蓝宝石晶体是优良的激光基质材料,如掺钛蓝宝石晶体是当今国际上最优秀的宽带可调谐激光晶体,其可调谐波段范围为 660~1200nm。自1982年Moulton首次报道实现激光振荡以来,因其具有很宽的可调谐范围及很高的增益等优点,已得到广泛而充分的研究。蓝宝石的光学穿透带范围非常宽,从近紫外光波段0.9nm 到中红外线光波段 5.5μm 都具有很好的透光率,且在 0.25~4.5 μm 的波段内仍然有 80% 以上的穿透率;使得大尺寸、高完整性的蓝宝石单晶体已被作为美国LICO(Laser interferometer gravitational observatory) 工程等测定宇宙重力波的大型干涉装置中首选的分光元件的基质材料。蓝宝石晶体在民用领域的应用也已十分广泛,例如在医疗仪器、环保设备、激光设备、化工设备、高真空测试设备、纺织工业的纤维导丝板,条码扫描仪的扫描窗口、永不磨损型雷达表的表蒙等。

3. 蓝宝石制造技术

3.1 蓝宝石产业链:晶体生长与加工
目前蓝宝石衬底制作主要分为两个环节:晶棒生产和晶圆切割。
晶棒生产是将高纯氧化铝粉末臵于特定的蓝宝石长晶炉中,经过 2-4周的加工过程,生产出梨形的晶锭,进而按照所需的尺寸掏出符合规格的晶棒。
晶圆切割是将晶棒进行切片、研磨、抛光等步骤,进一步加工成衬底平片。根据光电元件的特质不同,还需对平片进行相应的处理,如光学元件常常需要蓝宝石衬底双面抛光,而 LED 衬底使用则在单面上进行图案化加工。
1 ,长晶:利用长晶炉生长尺寸大且高品质的单晶蓝宝石晶体;
2 ,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;
3 ,掏棒:以特定方式从蓝宝石晶体中掏取出蓝宝石晶棒;
4 ,滚磨:用外圆磨床进行晶棒的外圆磨削,得到精确地外圆尺寸精度;
5, 品检:确保晶棒品质以及掏取后的晶棒尺寸与方位是否符合客户规格;
6 ,切片:将蓝宝石晶棒切成薄薄的晶片;
7 ,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;
8 ,倒角:将晶片边缘休整成圆弧状,改善薄片边缘的机械强度,避免造成缺陷;
9 ,抛光:改善晶片粗糙度,使其表面达到相应的精度要求;
10 ,清洗:清楚晶片表面的污染物
蓝宝石生产格局全球变化迅速,韩国产能快速提升。2008 年之前美国(主要是Rubicon 公司,曾为全球蓝宝石的最大供应商)、日本(主要有日厂京瓷、并木,主要生产3” 晶片供本土使用)、俄罗斯为蓝宝石主要供应地区,占全球比率约为80% ,2008 年之后随着韩国政府主导的投资 1.37 兆韩元发展蓝宝石,韩国蓝宝石产能快速扩展,在2010 年已经成为全球最大的蓝宝石产地,约占比 25% 。过去的两年中全球有超过80 家公司宣布进入蓝宝石领域,其中超过 50 家位于中国,蓝宝石晶体生长领域的参与者迅速增长到超过 130 家。
中国蓝宝石行业迅速发展,在世界地位提升。中国地区蓝宝石供应占比将快速提升,从2011 年第四季度的 16% 迅速提升,2012 年第四季度达 39% 。中国蓝宝石行业的迅速发展主要受益于自 2008 年国内 LED 产业的热络,导致 LED 用蓝宝石衬底供不应求,众厂商纷纷进入;以及近期苹果公司与 GTAT 签订的蓝宝石供给合同带动了对蓝宝石需求的大量增加。2013 年更多厂商产能陆续开出,预计随着市场回暖,技术稳定,全球占比将得到进一步提升。

3.2 晶体生长:技术路径之战
自1885年由Fremy 、Feil 和Wyse利用氢氧火焰熔化天然红宝石粉末与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“日内瓦红宝石”,迄今人工生长蓝宝石的研究已有 100多年的历史。至今已具有较高的技术水平和较大的生产能力,单晶炉也随之得到了飞速的发展。随着蓝宝石晶体应用市场的急剧膨胀,其设备和技术也在上世纪末取得了迅速的发展。晶体尺寸从 2 吋扩大到目前的 12 吋。
产业界的主要任务就是低成本、高质量地生长大尺寸蓝宝石单晶。目前用来生长人工生长蓝宝石晶体的方法主要有:焰熔法、CZ(提拉法)、KY(泡生法)、EFG(导模法)、HEM(热交换法)、TGT (温度梯度法)、坩埚下降法、SAPMAC(冷心放肩微量提拉法)、VHGF (垂直水平温度梯度冷却法)等。
其中KY(泡生法)工艺生长的蓝宝石晶体约为目前市场份额的 70% 。LED 蓝宝石衬底晶体技术由于保密性,其多数晶体生长设备都是根据客户要求按照工艺特点定做,或者采用其他晶体生长设备改造而成,主流厂商往往有自身独特的设备设计和定义。

泡生法(Kyropoulos method)
简称KY法,中国大陆称之为泡生法。泡生法是 Kyropoulos 于1926 年首先提出并用于晶体的生长,此后相当长的一段时间内,该方法都是用于大尺寸卤族晶体、氢氧化物和碳酸盐等晶体的制备与研究。上世纪六七十年代,经前苏联的 Musatov改进,将此方法应用于蓝宝石单晶的制备。
该方法生长的单晶,外型通常为梨形,晶体直径可以生长到比坩锅内径小10 ~30mm 的尺寸。其原理与柴氏拉晶法(Czochralski method) 类似,先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤,再以晶种接触到熔汤表面,在固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶,晶种以极缓慢的速度往上拉升,但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈,待熔汤与晶种界面的凝固速率稳定后,晶种便不再拉升,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。
泡生法是利用温度控制来生长晶体,它与柴氏拉晶法最大的差异是只拉出晶颈,晶身部分是靠着温度变化来生长,少了拉升及旋转的干扰,比较好控制制程,并在拉晶颈的同时,调整加热器功率,使熔融的原料达到最合适的长晶温度范围,让生长速度达到最理想化,因而长出品质最理想的蓝宝石单晶。

提拉法(Czochralski method)
从熔体中提拉生长晶体的方法为 Czochralski 于1918年首创,自 1964 年Poladino和Rotter 首先应用到蓝宝石单晶的生长中,成功生长出质量较高的蓝宝石晶体。原料加热至熔点后熔化形成熔汤,用晶种接触熔汤表面,在固液界面上因温度差而形成过冷。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棒。
在拉升的过程中,透过控制拉升速度的快慢的调配,分别生长晶颈(Neck) ,晶冠(Shoulder),晶身(Body) 以及晶尾。长完晶颈后,需放慢拉升速度,使晶体直径增大到所需的尺寸,此步骤为晶冠生长。当晶体直径增大到所需尺寸时,就以等速的速度来拉升,此部分的晶体直径是固定的,也就是晶身部分。此部分就是要作为工业用基板材料的部份,所以生长时,需格外小心。当晶身长完时,就要使晶棒离开熔汤,此时拉升的速度会变快,使晶棒的直径缩小,直到变成点状时,再从熔汤中分开。在半导体产业中,CZ法是最常见到的晶体生长法,由于能生长出较大直径之晶体,所以大约 85 %的半导体产业都使用 CZ法来生长单晶棒。

技术最有优势的VHGF 法
韩国LED 蓝宝石晶棒主要厂商 Sapphire Technology Co., Ltd. (STC)现采用其自主技术-垂直水平温度梯度冷却(Vertical Horizontal Gradient Freezing ;VHGF)法,量产LED 蓝宝石晶棒,此技术系以垂直温度梯度冷却(Vertical Gradient Freezing;VGF)法为基础。除以 VGF 法为基础外,STC 所采VHGF 法又结合水平方向温度梯度冷却制程,如此一来,可使长晶大小(直径与高度)与长晶形状相对较不受限。
VHGF 法生产的晶体质量好、成本低、设备自动化程度高,特别是 VHGF 法生产的晶体形状不受限制。目前主要以方型为主,相比于一般技术的梨形结构,VHGF 材料利用效率可以达到 78.5% ,远高于一般技术的 50% 。
考虑到未来应用于手机视窗材料,方型晶体结构的材料利用效率将得到更大的提升,所以 VHGF 法将是非常适合手机应用领域的蓝宝石制造工艺。但是 VHGF 目前是韩国 STC 独家专利,其他企业目前无法突破。

HEM(热交换法)
热交换法是一种为了生长大尺寸蓝宝石而发明的晶体生长技术。1970 年Schmid和Viechnicki 首先运用热交换法生长出大块的蓝宝石晶体。其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流量(He 冷却源) 的大小以及改变加热功率的高低来控制此温度梯度,借此达成坩埚内熔汤由下慢慢向上凝固成晶体之目的
主要特点:晶体生长界面稳定,消除了由于机械运动而造成的晶体缺陷;最适合生长各种形状和尺寸的蓝宝石晶体;设备条件要求高,整个工艺复杂,晶体生长周期长、需要大量氦气作冷却剂。
HEM法生产的蓝宝石应用于 LED 应用相比于泡生法并无明显优势,目前是 GT Advanced主导该技术路线。但是应用于消费电子产品时,HEM具有取材率高,产品形状可定制的特点,具有不弱于 VHGF 法的效率优势,目前该技术路径的领导者就是与苹果签订供货协议的 GT Advanced。
我们尝试按照 50 台长晶炉投资规模进行测算。假设设备折旧 10 年,厂房折旧20 年。市场上可以买到的 KY法长晶炉约 168 万,而 GT Advanced 进口自动化 HEM长晶炉售价约 286 万。
根据测算,KY 法投资金额大约 1.08 亿,主要生产应用于 LED 衬底片的蓝宝石晶体,年收入 7385 万,毛利率 46.4% 。
HEM法投资金额大约 1.77 亿,主要生产应用于消费电子产品的蓝宝石晶体,年收入9573 万,毛利率 53.8% 。

蓝宝石级高纯氧化铝
生产蓝宝石晶体主要消耗的原料为氧化铝粉体或碎晶。
氧化铝原料纯度是最重要的参数,纯度 5N的原料和 4N6 的长晶原理上说自然是杂质要少,温度梯度控制不好时可以减少一定的位错密度和显色等。美国及台湾大部分厂家,都只用 4N7 的料。蓝宝石级高纯氧化铝生产厂家主要包括:美国 SASOL公司,日本住友公司,广州金凯新材料有限公司,大连中晖联强晶体材料有限公司,河北鹏达新材料科技有限公司。

坩埚和保护气氛
目前蓝宝石单晶炉所使用的坩埚有铱坩埚,钨坩埚,钼坩埚。从实际应用的角度来说,铱坩埚对蓝宝石的污染最小,但价格太昂贵,成本较高;而钨坩埚和钼坩埚相对便宜很多,但是污染相对较大。
采用铱坩埚的一般铱坩埚本身就是发热体,但是采用钨、钼坩埚的较少采用坩埚本身来做发热体。不同的晶体生长方法,使用的坩埚也会不同,如泡生法(KY)一般使用钨坩埚,热交换法(HEM) 一般使用钼坩埚。因为热交换法最后要砸锅取单晶,而钼坩埚价格最便宜。
根据坩埚制造工艺,又可分为压制烧结坩埚和旋压坩埚,压制烧结坩埚质量较低,纯度、密度较低,使用寿命相对较短,价格相对便宜;旋压坩埚质量较高,纯度、密度较高,使用寿命较长,价格高。
晶体生长环境可以分为高度真空和气氛保护两种。高真空生长的好处是温场中没有对流的影响只考虑辐射,还原性气氛生长晶体就会带来对流的问题,对于蓝宝石这种高温晶体,对流可能会使温场复杂化,生长中要考虑的问题比真空要多。不同的晶体生长方法,通常采用的发热源是不一样的,从而选择的保护气氛也有所区别。俄罗斯经典泡生法的单晶炉是采用钨发热体,高真空环境。如何降低坩埚使用成本以及坩埚所引起的污染程度是当今迫切需要研究和解决的问题。

3.3 切割:成本与精度

多线切割
目前蓝宝石的切割主要采用多线切割设备。采用多线切割的优点在于效率高、成本低,不少厂商已经在光伏应用领域有所储备,设备具有较强的通用性。但是由于金刚线线宽大约 0.27mm,这就意意味着切割中的损耗难以避免。另一方面,采用多线切割设备,加工精度相对较低。
不过目前各个厂商已经积极开发适应于蓝宝石切割的新型设备,以及新配方切割液,可望有效改善目前多线切割所面临的问题。

激光切割
另外一种思路则是使用激光对蓝宝石进行切割加工。相比于多线切割方式,激光加工精度更高,损耗较少。但是由于激光切割设备价格昂贵,加工效率低于多线切割设备,目前主要应用于蓝宝石 Home键和Camera Cover Lens的分切,尚未大面积应用于晶棒切片。

氢离子切割Hyperion
2012年,GT Advanced 宣布收购 Twin Creeks Technologies 部分资产和知识产权,其中非常重要的技术就是被称为 Hyperion 的氢离子注入剥离技术。过去该项技术主要应用于晶硅电池片的切割,可以将传统上厚度 300-400um 的电池片,切割成30-40um 厚度,仅仅为传统技术的1/10 ,可以大大减少材料消耗。由于后期硅材料价格大幅下滑,光伏成本对于硅材料用量敏感性下降,该技术并未得到充分利用。
随着蓝宝石应用的兴起,Hyperion 技术可能出现新的转机。目前蓝宝石材料仍然存在韧性不足问题,故而不少专家提出将超薄蓝宝石层覆盖于硬化玻璃等材料上,以更好将不同材料的特性结合。如果该技术走向成熟,将可能大大改变目前的行业格局,对蓝宝石晶体的需求可能发生重大变化。
目前Hyperion 技术应用于蓝宝石尚不成熟,具有产业化仍有较长距离,尚未对行业带来重大影响。



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