攻克大尺寸蓝宝石衬底关键技术，华芯晶电获市科技进步奖一等奖

9月8日，青岛华芯晶电科技有限公司（以下简称“华芯晶电”）牵头完成的“大尺寸蓝宝石晶体生长及衬底制备关键技术与应用”项目荣获青岛市科技进步奖一等奖。该项目针对大尺寸蓝宝石晶体生长和衬底制备核心技术长期面临国际技术壁垒的难题，实现了从晶体生长到衬底精密加工的全链条技术突破，整体达到国际领先水平，带动产业链经济效益超20亿元，有力推动了我国半导体行业核心战略材料的自主可控。

大尺寸蓝宝石单晶衬底

十五年深耕，从追赶到领跑

蓝宝石衬底是LED芯片制造的核心基础材料，氮化镓等发光材料需要在蓝宝石衬底上进行外延生长，才能制成显示与发光芯片。

“我们称蓝宝石衬底为万能衬底，因为它应用的范围非常广泛，最主要的应用是显示类芯片。”华芯晶电常务副总经理肖燕青介绍，我们现在能看到的所有LED屏、绝大部分发光体都是基于蓝宝石衬底制作的，同时它又是优质的精密光学材料，所以蓝宝石在半导体领域里是非常基础性的材料。“如果把制造芯片比作盖房子，半导体衬底晶片就是地基。”肖燕青说。

但半导体衬底晶片在国内的发展并不算久。十五年前，国内蓝宝石衬底产业几乎从零起步。“当时一片4英寸蓝宝石衬底的售价高达200美金，且关键技术长期被国外垄断。”肖燕青回忆，也正是基于当时国内这一基础材料紧缺情况，华芯晶电决定自己制备这一制造芯片的重要材料。

2011年，华芯晶电成立，专注于化合物半导体衬底材料的研发与生产，是当时国内首批开展化合物半导体材料研发与生产的高新技术企业。

肖燕青回忆，那时候华芯晶电从零开始，逐步攻克晶体生长、切割、研磨、抛光、清洗等全流程工艺。

这么多年来，经过不断工艺优化，降本增效，“如今，4英寸蓝宝石衬底的价格已降至40元人民币，中国蓝宝石产业的全球产能占比超过70%。”肖燕青介绍，目前华芯晶电的蓝宝石衬底月出货量达80万片左右，居国内前两位。

三大核心技术突破，破解大尺寸生长与加工难题

“本次获奖项目围绕大尺寸蓝宝石晶体生长和衬底制备。”肖燕青介绍，他们完成了1000公斤级别的蓝宝石生长和8-12英寸蓝宝石衬底加工，同时实现了三项核心技术突破。

“揭示C向生长关键机理，实现晶体利用率的革命性提升。”肖燕青介绍，传统蓝宝石晶体多采用A向生长，晶体掏出方向与生长方向垂直，材料利用率有限。而下游外延工艺要求必须使用C向晶面，因此华芯晶电致力于实现C向生长——让晶体沿C向生长并直接掏出，大幅提升材料利用率。

然而，C向生长过程中晶体极易发生滑移，形成无法使用的“栾晶”。项目团队通过精准控制固液界面的凸面形状，自始至终保持凸界面，有效避免了晶体滑移。

肖燕青介绍，蓝宝石的生长是一个纯粹的物理过程，需要将氧化铝粉末加热至2050℃以上熔点为液态，再以特定晶向的籽晶引导，使熔体按照籽晶的分子结构重新排列结晶。C向生长技术的突破，使华芯晶电成功实现了400公斤乃至1000公斤级大尺寸晶体的稳定生长。

“第二项突破是发明‘全碳’热场与混合流动气氛控制技术。”肖燕青说，传统小尺寸晶体生长多采用金属热场，但做大尺寸晶体时，金属热场在2050℃高温下长期运行容易变形，影响温场稳定性。石墨热场具有极高的热稳定性，是做大尺寸晶体的理想选择，但石墨在高温下会挥发碳元素，一旦碳杂质进入晶体，将严重影响晶体纯度和成晶率。项目团队一方面提升石墨热场材料的纯度和加工工艺，另一方面创新采用混合流动气氛控制系统，其中氩气起隔绝作用，一氧化碳和二氧化碳则将挥发的碳反应掉，阻止其进入晶体。这项技术确保了大尺寸蓝宝石晶体达到6个9（99.9999%）以上的超高纯度要求。

第三大突破是建立大尺寸衬底超精密表面加工技术方案。 “当下，Micro LED芯片尺寸已缩小至10微米，随着芯片制程从微米级向纳米级演进，衬底的表面质量要求呈几何级数提升。”肖燕青介绍，项目团队研发了动态微量摆动研磨技术、高精度协调在位修整抛光技术，以及化学机械抛光（CMP）技术。在大尺寸衬底加工中，单面抛光已无法满足要求，必须采用双面抛光，并精确调控抛光液的pH值、表面活性等配方参数。在清洗环节，团队引入多频段兆声波清洗技术，相比传统超声波清洗，兆声波能震荡更小的颗粒，将200纳米以下的微颗粒有效去除，清洗率达到99%以上。通过这些技术，项目将衬底表面粗糙度降低约15%、总厚度偏差降低约13%、翘曲度降低约20%，完全满足8英寸、12英寸大尺寸衬底及Micro LED等高端应用对衬底精度的苛刻要求。

明年有望月产100万片

随着技术的发展，蓝宝石衬底的应用边界正在不断拓展。肖燕青介绍，在Micro LED终极显示领域，一个4K屏需要2400万个Micro LED芯片，每个芯片仅有10微米大小，这对衬底的尺寸和精度提出了更高要求。在AR智能眼镜微显示、新能源汽车智能车灯等新兴领域，蓝宝石衬底正成为关键材料。

更值得期待的是，在AI数据中心的光互联领域，用Micro LED替代传统激光器，功耗可降至原来的十分之一。

“目前华芯晶电的蓝宝石衬底月出货量达约80万片，居国内前两位，从目前市场需求来看还有市场缺口，我们目前也在积极扩产，预计2027年扩至月产百万片，有望登顶行业第一。”肖燕青说。

近些年，中国在显示类领域得到长足发展，目前国内蓝宝石衬底的产能占到全球70-80%。“未来蓝宝石衬底会有新的更广应用，作为通用半导体基础材料生产商，我们对未来充满信心。”肖燕青说。

目前，华芯晶电的蓝宝石衬底产品已广泛应用于新型显示、LED照明等领域，终端客户涵盖国内主要显示面板厂商。公司先后被认定为国家级专精特新“小巨人”企业、国家级绿色工厂、山东省制造业单项冠军企业，承建山东省企业技术中心等10个省级以上科研平台。

（半岛全媒体记者 王丽平）