【正文】 相較之下，美國、俄羅斯及日本地區(qū)于全球合計產(chǎn)能占有率將由 2021 年底的 59%下滑 %至 2021 年底的 %，意味原先美國與俄羅斯于全球晶棒市場居領(lǐng)先地位局勢將產(chǎn)生改變。至于日廠京瓷與并木，均采用 EFG 法。 注 2：此為 2021 年各廠商擴產(chǎn)目標，然實際擴產(chǎn)速度將不一致。 注 3：韓廠 STC 為 Sapphire Technology Company 縮寫。 2021~2021 年全球藍寶石晶棒廠商月產(chǎn)能變化 注 1：日廠京瓷與并木是由 3 吋藍寶石基板片數(shù)換算為晶棒長度 ， 其他廠商則以 2 吋藍寶石基板為基準計算而來。 圖 41 為 全球前 7 大晶棒廠擴產(chǎn)前后月產(chǎn)能變化。 2021 年雖全球藍寶石晶棒主要廠商擴產(chǎn)速度不一，但依其擴產(chǎn)目標來看，韓廠 STC 可望躍居全球藍寶石晶棒龍頭地位，此將導(dǎo)致 美國 Rubicon 與 俄羅斯Monocrystal 排名分別后退至第 2 與第 3，且因 臺廠越峰 積極擴產(chǎn)， 2021 年底可望躍升至全球第 4 地位，故 日廠京瓷 (Kyocera)與并木精密寶石 (Namiki Precision Jewel，簡稱并木 )排名將分別后退至第 5 與第 6；而 2021 年 韓廠 Astek 亦可望居第 7 地位，其于全球藍寶石晶棒市場影響力將上揚。 圖 40 2 吋 晶圓的美國國內(nèi)售價走勢，橫軸的時間沒有特殊規(guī)律 因歷經(jīng)全球藍寶石晶棒供貨不足現(xiàn)象，全球主要藍寶石晶棒廠雖陸續(xù)擴產(chǎn)，然因各廠擴產(chǎn)腳步不一，且藍寶石晶棒新進業(yè)者家數(shù)漸增，此將導(dǎo)致 2021 年全球藍寶石晶棒廠商別產(chǎn)能占有率產(chǎn)生變化。 圖 40 為 2021 年 2 吋 晶圓的美國國內(nèi)售價走勢 。 目前藍寶石基板仍多以 CZ 法與 KY 法為主流，藍寶石基板以 24 吋為主，基于成本因素與設(shè)備廠商開發(fā)進程，預(yù)估短期轉(zhuǎn)至 68 吋機率仍較低。 就技術(shù) 差 別來看， 美國 Rubicon 采用 ES2 技術(shù) ，在 2021 年公司宣布成功生長出 “ 世界上最大的藍寶石晶體 ” ， 重量高達 200kg，可用以切出 12 吋藍寶石基板 ，Rubicon 宣稱 ES2 技術(shù)產(chǎn)品缺陷率低于其它技術(shù) 。 與美國、 俄羅斯、烏克蘭等國相比，我國的單晶爐大多技術(shù)原理方法落后，設(shè)備自動化程度低，晶體尺寸小，質(zhì)量難以達到光學(xué)級水平，材料利用率低，成本高 ， 成果轉(zhuǎn)化及規(guī)模生產(chǎn)不足 ， 產(chǎn)品市場競爭力弱。從目前的技術(shù)水平來看， 先進的 藍寶石長晶技術(shù)由美國、日本與俄羅斯掌握 ， 由于藍寶石材料有著較強的軍工應(yīng)用背景需求，因此各國均將該項技術(shù)列為高度機密內(nèi)容， 其中美國與日本對長晶技術(shù)嚴密封鎖，其它國家難以取得關(guān)鍵技術(shù) 。 具體流程詳見附件七。但一直無法獲得相關(guān)爐子信息，也不知道國內(nèi)有沒廠家在用。 具 體 資 料 詳 見 公 司 主 頁 ： 圖 37 常州祺科公司的 QK 系列藍寶石單晶爐 中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所 圖 38 為上海光機所溫度梯度法藍寶石單晶爐?？刹捎弥蓄l或電 阻電源加熱。暫無其它資料，有待進一步考察。 江蘇華盛天龍光電設(shè)備股份有限公司 天龍光電 ( (CZ 法 )與泡生法 (KY 法 )兩種藍寶石晶體生長技術(shù)，目前最大晶體可切 8 吋藍寶石基板 ， 目前除已掌握日本代工訂單外，國內(nèi)合作意向廠商眾多。圖 3 36 是 Vniisims 公司的藍寶石長晶爐和所生長的藍寶石單晶。 俄羅斯 VNIISIMS 圖 35 VNIISIMS 公司 藍寶石長晶爐 (臺灣越峰 長晶設(shè)備 ) 37 圖 36 VNIISIMS 公司藍寶石長晶爐生長的藍寶石單晶 俄羅斯材料研究機構(gòu) Vniisims 公司 (Russian Research Institute for the synthesis of Materials)。以上是 爐子 的一些 參數(shù) ，詳細情況有待進一步考察。 圖 33 GT Solar 先進的 HEM 法 藍寶石 生長 爐 36 圖 34 藍寶石爐生長控制界面 (由圖 33 中放大 ) 圖 3 34 為 GT Solar 先進的 HEM 法藍寶石生長爐。 其中 兩份分別來自江蘇吉星新材料公司及九江賽翡科技有限公司 ； 訂單總價值超過 8400 萬美元， 還有一份來 自韓國 OCI Company, Ltd.，訂單價值3330 萬美元；最后一份訂單也來自亞洲，具體什么公司未獲知，訂單價值 4160萬美元。 GT Solar 預(yù)期 2021 年 4 月公司將開始生產(chǎn)藍寶石長晶設(shè)備，其中特別看好臺灣、大陸、韓國等地 LED 市場的擴充幅度，預(yù)期將是未來營收成長的動能。因此，與同類晶 體生長技術(shù)相比，公司的產(chǎn)品將使客戶只需要極少的投資便可迅速實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。 有別于市場上多數(shù)的泡生法技術(shù)， Crystal Systems 主要是采 HEM 技術(shù) (熱交換技術(shù) )生產(chǎn)藍寶石 ，其制程技術(shù)與公司原本的硅生長技術(shù)互補，故可結(jié)合公 35 司在太陽能長晶爐設(shè)備的經(jīng)驗，切入 LED 長晶設(shè)備的銷售。伴隨著 LED 產(chǎn)業(yè)起飛，上游的藍寶石單晶需求暢旺， GT Solar 除了針對 Crystal Systems 既有的產(chǎn)能持續(xù)進行擴充外，自 2021 年 4 月起將開始對外量產(chǎn)藍寶石長晶爐。 2021 年 7 月， GT Solar 正式收購藍寶石單晶 (Sapphire)生產(chǎn)商 Crystal Systems 公司。 具體情況詳見附件五。 具體參數(shù)詳見附件四。Omega M300 和 M200 這兩種爐子的價格基本上在 25~30 萬美元左右；晶體技術(shù)的轉(zhuǎn)讓費在 40 萬美元左右。 具 33 體參數(shù)詳見附件三，翻譯可參考附件一。具體參數(shù)詳見附件二。 具 32 體參數(shù)詳見附件二，翻譯可參考附件一 。其具體參數(shù)詳見附件二，翻譯參照附件一。 具體情況詳見附件一 。目前在韓國，臺灣，俄羅斯等著名的藍寶石單晶廠家均有客戶使用，晶體的平均利用率在 60%以上，一個85Kg(型號 M300)的晶棒可掏出 2 英寸的晶棒 2100mm， 4 英寸的晶棒 900mm。 藍寶石晶體生長爐 烏克 蘭歐米茄 公司 (Omega Crystals) 圖 2 25 為烏克蘭歐米茄公司 Omega M200 和 Omega M300 藍寶石單晶生長爐。據(jù)了解，國內(nèi) 一般的采用鎢鉬坩堝生長的藍寶石 爐 實際上真實的氣氛是弱氧化 氣氛 ，但是這是很多專家都認為不可能的事情。 不同的晶體生長方法 ， 通常采用的發(fā)熱源是不一樣的， 從而 選擇 的保護 氣氛也有所區(qū)別 。 圖 22 美國 Crystal System熱交換法所使用的鉬坩堝 (圖片 來源于奧地利 Plansee 公司 ) 28 圖 23 奧地利 Plansee 公司 的旋壓鎢坩堝 圖 24 奧地利 Plansee 公司的鎢網(wǎng)熱場 晶體生長環(huán)境 可以 分為高度 真空 和氣氛保護兩種。圖 23 為泡生法所使用的旋壓鎢坩堝 (圖片來源于奧地利 Plansee 公司 )。據(jù)了解，國內(nèi)長晶爐一般是采用壓制燒結(jié)坩堝。 不同的晶體生長方法，使用的坩堝也會不同，如泡生法 (KY)一般使用鎢坩堝，熱交換法 (HEM)一般使用鉬坩堝，因為熱交換法最后要砸鍋取單晶，而鉬坩堝價格最便宜。 烏克蘭頓涅茨的Ikal200 型 晶體生長爐 ， 采用鉬坩堝、鉬隔熱屏、鎢加熱體，在高溫下將揮發(fā)出鉬和鎢原子 。 從實際應(yīng)用的角度來說，銥坩堝對藍寶石的污染最小，但價格太昂貴，成本 較高 ；而鎢坩堝和鉬坩堝相對便宜很多，但是污染 相對較大 。據(jù)業(yè)內(nèi)人士經(jīng)驗得出，原料的成本約占20%，因 此針對不同級別的藍寶石，使用不同級別的料，合理控制生產(chǎn)成本也是非常重要的。 根據(jù)業(yè)內(nèi)人士提供的消息 ，美國及 臺灣大部分廠家，都只用 4N7 的料。 氧化鋁原料純度是最重要的參數(shù)，純度 5N 的原料和 4N6 的長晶原理上說自然是雜質(zhì)要少，溫度梯度控制不好時可以減少一定的位錯密度和顯色等。現(xiàn)在多數(shù)廠家要塊料，可是這中間會產(chǎn)生致命的二次污染，二次污染的解決問題現(xiàn)在確實是業(yè)界的一個難題。 為什么說 粉料是不利于生長大尺寸的晶體生長， 就是關(guān)系到 坩鍋利用率的問題 。 另外，填的料太少 ， 很難 熔接晶種 (seeding)。這其實就是一個關(guān)系到裝料量的參數(shù)，不同的長晶方法，對原料的密度要求不一樣 。從圖 26 18 中可以看出，松散密度 (Loose Bulk Density, g/cm3)這個參數(shù)比較低，只有~ g/cm3，而圖 21 中的藍寶石晶體生長專用氧化鋁原料的松散堆積密度 ﹥2g/cm3。 價格約 30 USD/kg (到廠價 )。 圖 1 19 是日本住友公司的藍寶石用高純氧化鋁原 料典型參數(shù)和 SEM 圖。水解法的缺陷，業(yè)內(nèi)人士評價是無法再次提純，原料是什么級別，做出來的氧化鋁，就是什么級別，不可能超越原料水平。這種方法能做出 4N及 5N 的氧化鋁。大連有幾個廠用的基本都是異丙醇鋁法，產(chǎn)品 純度一般優(yōu)于膽堿法，國內(nèi) YAG 晶體行業(yè)比較習(xí)慣于用這種方法做的料。其中膽堿法是目前國內(nèi)規(guī)模最大的 4N級氧化鋁生產(chǎn)方法。但如果先用焰熔法做成白寶石碎料，相當(dāng)于先進行 了一次結(jié)晶提純，就可以用于生長大尺寸晶體，但仍無法滿足高端要求。目前國內(nèi)山東，上海，貴州等地的廠家，多數(shù)采取 這種方法。 目前國內(nèi)生產(chǎn)高純氧 化鋁的主流技術(shù)有三種：多重結(jié)晶法、醇鹽水解法、直接水解法。 冷心放肩微量提拉法 (SAPMAC) 晶體完整性好；可實現(xiàn)原位退火，周期短、成本低； 易受到溫度波動的影響；不易生長 c 軸晶體 哈爾濱工大奧瑞德光電技術(shù)有限公司 藍寶石單晶主要生長技術(shù)于量產(chǎn)效益比較 主要生長技術(shù) 缺陷密度 (Pits/cm2) 純度 (%) 雜質(zhì)含量 (ppm) 泡生法 (Kyropoulos) ﹤ 103 ﹤ 1 垂直水平溫度梯度冷卻法 (VHGF) ﹤ 3102 導(dǎo)模法 (EFG) ﹥ 103 ﹤ 4 柴氏法 (Czochralski) ﹥ 104 22 4. 原料、設(shè)備與生產(chǎn)流程 原料 藍寶石級高純氧化鋁 生產(chǎn)藍寶石晶體主要消耗的原料為氧化鋁粉體或碎晶。 垂直水平溫度梯度冷卻法 (VHGF) 晶體大小 (直徑和高度 )與形狀相對較不受限制 專利掌握于韓 國 STC手中 韓國 Sapphire Technology Company (STC) 熱交換法 (HEM) 高品質(zhì)，大尺寸 設(shè)備要求高，工藝復(fù)雜，成本高， 主要難題是晶體容易開裂。 導(dǎo)模法 (EFG) 品質(zhì)佳 設(shè)備、工藝要求復(fù)雜 日本京瓷 (Kyocera)、并木 (Namiki) 溫度梯度法 (TGT) 設(shè)備簡單、操作方便，無機械擾動、界面穩(wěn)定、成品率高；可生長 c 軸晶體 晶體無轉(zhuǎn)動，溫場不易均勻；晶體需后續(xù)退火處理，周期長，成本 高；坩堝強制作用顯著 中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所光電材料事業(yè)部 ， 深圳愛彼斯通 坩堝下降法 設(shè)備簡單，成品率高。美國 Rubicon、俄羅斯Monocrystal、韓國 Astek、臺灣越峰 柴氏法 (Czochralski) 生長情形易于觀察，尺寸容易控制，晶體外形相對規(guī)整 缺陷密度大；須使用銥金坩堝，成本較高；尺寸易受限 加拿大 HoneyWell (2021 年被中國四聯(lián)集團收購 )，法國 SaintGobain。不易生長 C軸晶體 。 7) 在晶體生長過程中，可以方便的觀察晶體的生長情況； 8) 晶體在自由液面生長，不受坩堝的強制作用，可降 低晶體的應(yīng)力； 9) 可以方便的使用所需取向籽晶和 “ 縮頸 ” 工藝，有助于以比較快的速率 21 生長較高質(zhì)量的晶體，晶體完整性較好。 5) 適合生長大尺寸晶體，材料綜合利用率是泡生法的 。 4) 在整個晶體生長過程中，晶體不被提出坩堝，仍處于熱區(qū)。 3) 由于只是微量提拉，減少