美国GT Solar Sapphire Crystallization Furnace.docx

1、美国GT Solar Sapphire Crystallization Furnace美国GT Solar美国太阳能长晶炉大厂GT Solar (2010年7月，GT Solar正式收购蓝宝石单晶(Sapphire)生产商Crystal Systems公司。在收购Crystal Systems后，GT Solar正式切入蓝宝石单晶产业。伴随著LED产业起飞，上游的蓝宝石单晶需求畅旺，GT Solar除了针对Crystal Systems既有的产能持续进行扩充外，自2011年4月起开始对外量产蓝宝石长晶炉。GT Solar表示，目前在蓝宝石晶棒的切片过程中，从研磨到检验等均已有许多设备商投入供应

2、链，而有机金属化学气相磊晶(MOCVD)机台也已有Veeco等大厂供应，惟蓝宝石长晶设备领域并无主导者，故公司选择就此切入。有别于市场上多数的泡生法技术，Crystal Systems主要是采HEM技术(热交换技术)生产蓝宝石，其制程技术与公司原本的硅生长技术互补，故可结合公司在太阳能长晶炉设备的经验，切入LED长晶设备的销售。GT Solar先进蓝宝石晶体生长系统的结构具有可扩展性高及可靠性高的特点。因此，与同类晶体生长技术相比，公司的产品将使客户只需要极少的投资便可迅速实现批量化生产。公司将技术、各地区深入的服务与丰富的安装经验有机结合，降低广大客户设备安装调试的风险，为其带来最大的利益。

3、热交换法(Heat Exchanger Method)简称HEM 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，图1为HEM法晶体生长过程简图。图2 a所示为HEM炉内结构简图，图3所示为HEM炉热场配置简图，图4为HEM炉鸟笼式石墨加热器，图5为HEM炉的电控简图。图1 HEM法长

4、晶过程简图图2 热交换法(a) HEM炉结构简图；(b) 蓝宝石晶体380mm；(c) 蓝宝石晶体340mm图3 HEM炉热场简图图4 HEM炉鸟笼式石墨加热器 图5 HEM炉电控简图HEM法主要特点：1) 温度梯度分布与重力场相反，坩埚、晶体和热交换器皆不移动，晶体生长界面稳定、无机械扰动、浮力对流小，消除了由于机械运动而造成的晶体缺陷；2) 晶体生长后仍保持在热区，控制氦气流量可使温度由结晶温度缓慢均匀降低，实现原位退火，减少晶体的热应力及由此产生的晶体开裂和位错等缺陷；3) 固液界面处在熔体包裹中，热扰动在到达固液界面之前可以被减小乃至排除，界面上可获得均匀的温度梯度；4) 热交换法最适

5、合生长各种形状和尺寸的蓝宝石晶体；5) 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，成本高。热交换法主要在美国得到应用和发展，该工艺为美国Crystal Systems 公司的专利技术。Crystal Systems公司用热交换法生长蓝宝石晶体已有40年的历史，代表了国际最高水平。Chandra等人利用热交换先后生长出了直径为200mm、340mm和380mm径高比为2:1的高质量晶体，如图2b、c所示。并希望最终能够生长出直径为750mm的光学级蓝宝石晶体。以上HEM法炉子结构图和热场图仅仅作为对HEM法及其长晶炉的深入了解，不代表下面介绍的GT Solar公司的AS

6、F蓝宝石结晶炉。GT Solar的ASF系列蓝宝石炉图6 GT Solar先进的ASF蓝宝石结晶炉图7 蓝宝石炉生长控制界面(由图6中放大)图6、7为GT Solar公司先进的ASF系列蓝宝石结晶炉。炉子参数 尺寸: W L H: 3700 mm 3900 mm 4700 mm (开盖状态) 吊顶高度: 4900 mm 电力系统: 80 kVA 3 Ph 50/60 Hz 炉子大约重量: 2000 Kg 冷却水: 4.5 M3/h图8 ASF炉外形尺寸图关键技术优势 自下而上的A轴方向生长方式，快速地生长低缺陷密度、低晶体应力、高均匀晶格的高质量LED级蓝宝石衬底 较短的晶体生长周期，100

7、kg的晶棒生长周期小于18天。 使用指定的原料和坩埚，晶体质量得到保证。 晶体凝固过程中的杂质偏析(k1)，能够预测晶棒不同位置的杂质分布。 可以重新熔化晶棒不同位置以控制杂质的分布。 可切片的晶棒的收率高 单台炉子年产能大于100,000 TIE 不同尺寸晶圆(2”, 4”, 6”)的灵活搭配 可扩展的体系结构提供投资保护 坩埚形状和装料尺寸的大小弹性可以满足广泛的客户需求 高自动化(PLC控制)，强大的工具设计-无移动部件 简单的接种过程，无人工引晶过程 具有40年的蓝宝石晶体生长经验保证图9 ASF炉生长的蓝宝石晶体其他特点一方面由于HEM法工艺的特点，晶体生长过程固液界面热对流小，气泡

8、无法依靠热对流排出熔体，需依靠其缓慢地自下而上的结晶，把气泡排挤出晶体，因此对原料的要求比较高；另一方面为了保证蓝宝石晶体的质量，因此ASF炉长晶使用指定的氧化铝原料，级别为5N，相对较贵，大于$80 /Kg。由于HEM法工艺特点，晶体生长完成后需进行砸锅取晶体，因此钼坩埚为一次性坩埚，厚度约为3 mm，制造精度较高，国外进口。鸟笼式石墨加热器也是国外进口的，由于蓝宝石炉采用石墨热场，控制石墨的挥发污染尤为关键，因而国内石墨加热器质量达不到要求。底部热交换器，采用氦气作冷却源，熔料时通氦气保证粘在底部的籽晶不被熔化，熔料完成后，再由控制加热器功率和氦气流量大小来控制晶体生长界面的温度梯度。整个

9、晶体生长过程，需要使用大量的氦气，气体成本较高。设备价格73万美金 /台，包含工艺，起订台数50台。由于热交换技术是美国Crystal System的专利技术，以前多用于军工方面，为了控制热交换技术的扩张性，因此GT Solar目前只与少量的大客户进行合作。另外，晶体生长培训1-2周，另外收费，费用未知。炉子验收标准为36天成功2炉。成本与利润分析在指定的厂房环境和设施、原料及其他要求下，GT保证每炉都成长晶成功，正常一年能产出23个晶锭。其中，1. ASF蓝宝石炉，85 KG，周期18天，晶锭尺寸13” 9.5”，GT保证每根晶锭最少掏取3000mm的LED级材料。2. ASF100蓝宝石炉

10、，100 KG，周期16天，晶锭尺寸13” 11”，GT保证每根晶锭最少掏取4000mm的LED材料。电耗：250度 /Kg，$0.1 /度热场损耗：$3800 /锭氧化铝原料：$80 /Kg一次性钼坩埚：$4000 /锭氦气：7.5 mm3氦气 /锭，液氦$23 /L，1 L液氦=927.8 L氦气根据以上成本项目，可以计算得到总的成本如下：简单成本计算按ASF炉85 Kg晶锭掏取3000mm 2” LED级晶棒计算成本项目单位ASF氧化铝原料$ /mm2.267一次性钼坩埚$ /mm1.333氦气$ /mm0.062电耗$ /mm0.708热场损耗$ /mm1.267设备折旧(按10年折旧

11、算)$ /mm1Total成本$ /mm6.637单台炉年生产成本$ 457953目前晶锭价格$ /mm17单台炉年毛利(3000mm23锭)$715047上述成本计算是主要成本的大致预估，实际的成本还需根据实际拉制情况定，比如晶体生长过程中的氩气保护消耗(流量较小)等等。目前蓝宝石晶锭市场价格为$17 /mm，如果单台炉年产能为3000mm23锭，那么单台炉年毛利为$715047。GT Solar官方公布的蓝宝石炉客户2010年12月02日，GT Solar收到首批蓝宝石晶体生长系统的订单，分别来自江苏吉星新材料公司及九江赛翡科技有限公司，订单总价值超过8400万美元。2011年01月20日

12、，GT Solar获韩国OCI公司3330万美元蓝宝石结晶炉订单。2011年02月27日，GTSolar获得亚洲新客户价值4160万美元的蓝宝石结晶炉订单，具体什么公司未获知。2011年04月27日，GT Solar获得贵州皓天光电科技公司2.189亿美元先进蓝宝石结晶炉订单。2011年05月10日，GTSolar获得总额达9100万美元的三份先进蓝宝石结晶炉(ASF)新订单，其中有两份来自台湾，分别为鑫晶钻科技股份有限公司(Alpha Crystal Technology)和兆晶科技股份有限公司(Tera Xtal)，另外一份则来自中国大陆，为Lingyang Group。2011年06月0

13、3日，GT Solar又获得一份目前为止总额最大的价值达4.6亿美元的订单，来自中国大陆，公司未知。2011年5月19日，GT Solar推出ASFTM100先进蓝宝石生长系统，公司称该系统虽与之前ASF容器相同，坩埚尺寸不同，可生成重达100 KG的蓝宝石晶锭，不但能提供高质量的蓝宝石材料，而且能提高产量，还可减少系统所需投入的资本。GT Solar称ASF100凭借其40多年的蓝宝石生产及晶体生长工艺技术经验，提供高度自动化、低风险的运营环境，能始终如一地生产质地均匀的蓝宝石晶锭，其晶锭能生产出非常适用于高亮度LED应用产品的高品质材料。GT Solar公司欢迎客户去美国总部看他们的设备及长晶情况，甚至还可以买他们设备长的蓝宝石晶锭进行衬底加工及LED应用，然后评定他们的晶体质量。