蓝宝石行业调查分析

蓝宝石行业调查分析报告

岳军纲[2012年 4月]

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目录

1. 蓝宝石行业概况 ................................................................................................. 1 2. 蓝宝石行业发展情况分析 ................................................................................. 3

2.1中国蓝宝石行业发展历程 ........................................................................... 3

2.2中国蓝宝石行业特点分析 ........................................................................... 4

2.3蓝宝石行业政策——中国“十二五”规划重点发展新材料 ......................... 6 3. 蓝宝石行业技术发展分析 ................................................................................. 8

3.1蓝宝石晶体生长技术发展 ........................................................................... 8

3.2蓝宝石行业原料、主要设备与生产流程 .................................................. 12 4. 蓝宝石行业市场分析 ....................................................................................... 17

4.1蓝宝石基板：具有优势性的 LED 最上游原料 ...................................... 17

4.2下游需求爆增，撬动了蓝宝石产品需求的急速增长 .............................. 18

4.3蓝宝石屏幕，奢华品市场潜力巨大 ......................................................... 19 5. 近期中国蓝宝石行业投资动态分析 ................................................................ 20 6. 蓝宝石行业重点企业分析 ............................................................................... 24

6.1国内拥有完整的蓝宝石产业链企业 ......................................................... 24

6.2国内蓝宝石产业上游晶棒企业 ................................................................. 26

6.3国内蓝宝石产业下游晶片企业 ................................................................. 27

6.4国内(含台湾)其他蓝宝石行业主要企业 ................................................... 27

6.5全球蓝宝石行业主要企业 ......................................................................... 29 7. 蓝宝石行业综合分析 ....................................................................................... 30

7.1中国蓝宝石行业发展环境分析 ................................................................. 30

7.2中国蓝宝石行业风险提示 ......................................................................... 30

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图表目录

图 1 蓝宝石晶体 .............................................................................................. 1

图 2 蓝宝石基片 .............................................................................................. 2

图 3 蓝宝石晶体的生长技术发展 ................................................................... 8

图 4 泡生法(Kyropoulos method)之原理示意图 ......................................... 10

图 5 柴氏拉晶法(Czochralski method)之原理示意图................................. 11

图 6 蓝宝石晶体行业开发的高纯高密度氧化铝原料 .................................. 13

图 7 蓝宝石单晶生长和晶片加工流程图 ..................................................... 14

图 8 晶棒、基片制造工艺流程 ..................................................................... 15

图 9 蓝宝石衬底的LED芯片结构图 ........................................................... 18

图 10全球前 7 大晶棒厂扩产前后月产能变化 ........................................... 29

图 11中国蓝宝石行业PSET分析 ................................................................. 30

表 1 氧化铝(Al2O3)特性表 ............................................................................. 2

表 2 蓝宝石晶体生长技术比较 ..................................................................... 12

表 3 衬底材料性能比较表............................................................................. 17

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1. 蓝宝石行业概况

蓝宝石(Sapphire)是一种氧化铝(α-Al2O3)的单晶，又称为刚玉（如图1），就颜色而言，单纯的氧化铝结晶是呈现透明无色的，在自然界中当蓝宝石在生长时，晶体内含有钛离子(Ti3+)与铁离子(Fe3+)时，会使晶体呈现蓝色，而成为蓝色蓝宝石(Blue Sapphire)。蓝宝石晶体化学性质非常稳定（见表1），一般不溶于水和不受酸、碱腐蚀，晶体硬度很高，为莫氏硬度9级，仅次于最硬的金刚石。它具有很好的透光性，热传导性和电气绝缘性，力学机械性能好，并且具有耐磨和抗风蚀的特点。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LED、大规模集成电路SOI 和SOS等最为理想的衬底材料，随着现代科学技术的发展，对蓝宝石晶体材料的尺寸、质量不断提出新的要求。目前，低成本、高质量的大尺寸蓝宝石单晶具有越来越大的市场需求。

图 1 蓝宝石晶体

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表 1 氧化铝(Al2O3)特性表

蓝宝石与硅单晶具有相近的热膨胀系数，在蓝宝石晶片上用异质外延方法可以生长出一层硅单晶膜，然后再在硅单晶膜上制作半导体器件，具有高速度、低功耗和抗辐照等优点，在移动电话，台式电脑或笔记本电脑，高速、高频无线电通讯，发展中都具有特别重要的应用。

图 2 蓝宝石基片

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2. 蓝宝石行业发展情况分析

2.1中国蓝宝石行业发展历程

2008年，处于发展中的中国蓝宝石行业也未能避免全球经济危机的影响，规模不大的下游需求严重紧缩，上游蓝宝石晶体生长与晶圆加工企业利润被严重挤压。浙江巨化、大庆华泰、天津赛法、深圳爱彼斯通、常州华夏集成等企业纷纷停产退出市场。与此同时，一些有实力的企业集团，看好蓝白光LED未来广阔的市场前景，通过低价收购国外成熟的蓝宝石制造企业，对蓝宝石行业展开布局。2008年，四联集团收购了Honeywell的蓝宝石事业部，包括其位于加拿大的生产工厂、研发团队和销售渠道，成功的收购使四联光电快速拥有国际一线品质蓝宝石衬底的生长、加工技术以及相关产销资源，为四联光电在国内布局奠定了坚实的基础。

2009年下半年到2010年，受到下游中大尺寸LED背光和LED照明市场高速发展的带动，GaN外延/芯片产能迅速扩张，使得上游衬底供给短缺，推动价格持续上扬，应用于蓝光、白光LED生长的蓝宝石衬底产业开始加速发展。尽管国内相关企业蓝宝石衬底的性能指标和成品率仍然较低，蓝宝石衬底材料生长专业人才也较为缺乏，然而在较高产业利润的驱动下，2010年中国已有多家企业开始布局或宣布进入蓝宝石衬底领域，逐步扩大资金投入和相关关键技术引进。

2010年至2011年中，全国进行蓝宝石生产与投资的企业多达到四五十家，大部分缺少自主技术团队支撑。目前，能实现蓝宝石产品稳定生产与销售的厂商仅有十多家。其中，云南蓝晶、四联光电和同人电子已实现了长晶、掏棒、切磨抛洗封等环节完整的蓝宝石产业链垂直整合;哈尔滨奥瑞德、成都东骏、山东元鸿、元亮科技则专注于上段的长晶与掏棒环节，为下游提供蓝宝石晶棒;焦作科瑞斯达、青岛嘉星、水晶光电、晶科光电、可润光电等企业主要从事下段的衬底加工;水晶光电、中镓半导体、士兰微、可润光电等企业均在着手进行图形化衬底的研发与产业化。

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2.2中国蓝宝石行业特点分析

1、产业进入门槛较高，产业发展基础较弱

近几年，蓝宝石行业处在寡头垄断的竞争阶段，2010年全球90%以上的产能和高端产品的制造技术集中在STC、Rubicon、Monocrystal、Kyocera、Namiki等七八家国际厂商手里，他们集工艺设备、专利技术、研发团队、销售渠道于一体，为后进厂商打入全球市场设置了很高的进入门槛。除了极高技术与设备门槛以外，蓝宝石仍属于资金密集型的产业，粗略估计，年产500万片自动化水平较高的全套生产线建设投资将接近10亿人民币。

目前，中国内地能实现长晶、掏棒生产的企业仅有云南蓝晶、哈尔滨奥瑞德、四联光电、元亮科技、成都东骏等少数几家企业，能实现从上段长晶掏棒，到下段切磨抛洗封的企业只有云南蓝晶、四联光电和同人电子，这些企业在生产规模、长晶尺寸、成品率、加工成本等方面与国际大厂还有比较大的差距。从全国范围统计，2010年，中国可满足下游外延生长要求的合格蓝宝石衬底的产量仅有50多万片，不到全球产量的2%。同期，中国下游外延环节对蓝宝石的市场需求超过250万片，潜在市场需求将很快超过500万片。可以看出，中国蓝宝石产业从产业规模、企业数量，到技术实力、人才队伍等方面还处在起步发展阶段，产业发展基础还比较薄弱。

2、投资合作方式较多，成功发展模式较少

目前，中国蓝宝石产业投资方式需要从两个层面来看：

第一个层面，中国蓝宝石企业的产业切入模式很多。自主研发与独立运作的模式，典型企业有云南蓝晶、成都东骏;对外收购与外援导入的模式，典型企业有四联光电;原始技术积累与外购设备改进的模式，典型企业有哈尔滨奥瑞德、元亮科技、水晶光电等;大资金投入与设备工艺成套购买的模式，典型企业有贵阳工投和协鑫光电。

第二个层面，同一家企业涉及的长晶技术多样化。四联光电，除了采用直拉法长晶以外，也在多方尝试泡生法和热交换法。协鑫光电和贵阳工投都在同时探索泡生法和热交换法的制备工艺，只是所用设备的提供厂商和技术团队有所不同。可以看出，中国蓝宝石产业的投资方式呈现多样化的态势，目前看来只有云

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南蓝晶和哈尔滨奥瑞德的发展步伐比较稳健。产业发展初期，企业发展模式多样化是正常合理的，但能够适合中国国情又顺应产业发展规律的发展模式还比较少，真正成功的发展模式还需要经过未来两到三年市场竞争的遴选。

3、产能提升势能较大，产量输出动能较小

据不完全统计，截止2011年第二季度末，中国蓝宝石基片投资项目累计产能超过15000万片(按2英寸晶圆折算)，无论从上游技术设备的供货能力和原材料、加工辅料配套能力来看，还是全球未来三到五年的市场需求来看，即便考虑到未来中国蓝宝石产业国际竞争力的迅速提升、产能利用率和成品率限制等因素，这样的产能提升势能还是比较大。预计未来三到五年，将会从目前四五十家厂商中脱颖而出5~10家实际产量在300~1000万片的企业。

值得注意的是，目前中国蓝宝石产业可观的计划产能与滞后的实际产量形成了明显的反差。2010~2011年中国实际产量输出较小主要是两方面的原因，一方面中国蓝宝石产业刚刚起步，许多项目正在筹备建设当中，设备供货调试与风水电气等生产配套的完善需要4~8个月的时间。此外，为了达到满足市场对产品质量和价格的要求，生产工艺的优化和成本控制也需要比较长的时间。另一方面，下游中大尺寸背光源对上游的拉动效应有所衰退，大量产能提前开出将面临较大的市场风险，因此2010~2011年，中国蓝宝石基片产量仍保持在较低的水平，预计到2012年下半年将会较大幅度的增长，2013年将会逐渐满足国内市场的需要，并增加产品出口比重。

4、产业分布范围较大，区位因素影响较小

蓝宝石产业位于产业链上游，对于上游原材料和加工辅料的需求量比较少，产品销售物流规模也不大，因此对于产业配套和交通物流的要求并不高，区位因素影响较小，是技术与资金密集型产业，同时也是能源需求密集型的产业。在产业布局中，除了考虑技术与资金因素以外，还会考虑电与水的供应质量与价格，因此蓝宝石衬底生产更趋向于能源供给充足的内地，甚至是中西部地区。因此，蓝宝石产业的项目投资区域范围比较分散，除了华北、华东、华南等产业热点区域，西南、东北、西北也都利用在电力、水力、土地、政策等方面的比较优势，积极布局蓝宝石产业。目前，中国蓝宝石产业已形成了由技术高地向成本洼地分散布局的态势。拒不完全统计，截止2011年第二季度末，中国内地有超过30

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家企业在进行蓝宝石行业生产方面的新项目建设和改扩建项目建设，产业分布更加分散。

2.3蓝宝石行业政策——中国“十二五”规划重点发展新材料

2012年02月22日，工业和资讯化部在其网站发布了《新材料产业“十二五”发展规划》(以下简称《规划》)。

《规划》指出，根据《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》和《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》的总体部署，工业和资讯化部会同发展改革委、科技部、财政部等有关部门和单位编制了《新材料产业“十二五”发展规划》。本规划是指导未来五年新材料产业发展的纲领性档，是配置政府公共资源和引导企业决策的重要依据。

《规划》对新材料产业的发展现状和趋势、总体思路、未来发展重点、区域如何布局、“十二五”期间组织实施的重大工程和重点专案，以及相关保障措施进行了详细的阐述和说明。

《规划》指出“十二五”期间，集中力量组织实施一批重大工程和重点项目，突出解决一批应用领域广泛的共性关键材料品种，提高新材料产业创新能力，加快创新成果产业化和示范应用，扩大产业规模，带动新材料产业快速发展：

（一）稀土及稀有金属功能材料专项工程

（二）碳纤维低成本化与高端创新示范工程

（三）高强轻型合金材料专项工程

（四）高性能钢铁材料专项工程

（五）高性能膜材料专项工程

（六）先进电池材料专项工程

（七）新型节能环保建材示范应用专项工程

（八）电子信息功能材料专项工程

工程目标：提高相关配套材料的国产率，获取原创性成果，抢占战略制高点，力争掌握一批具有自主知识产权的核心技术。

主要内容：着力突破大尺寸硅单晶抛光片、外延片等关键基础材料产业化瓶

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颈；大力发展砷化镓等半导体材料及石墨和碳素系列保温材料，推动以碳化硅单晶和氮化镓单晶为代表的第三代半导体材料产业化进程；积极发展4英寸以上蓝宝石片、大尺寸玻璃基板、电极浆料、靶材、荧光粉、混合液晶材料等平板显示用材；促进碲镉汞外延薄膜材料、碲锌镉基片材料、红外及紫外光学透波材料、高功率激光晶体材料等传感探测材料的技术水平和产业化能力提升；突破超薄软磁非晶带材工程化制备技术，加快高频覆铜板材料、BT树脂、电子级环氧树脂、电子铜箔、光纤预制棒、特种光纤、通信级塑料光纤、高性能磁性材料、高频多功能压电陶瓷材料等新型元器件材料研发和产业化步伐。推动材料标准化、器件化、组件化，提高产业配套能力。

（九）生物医用材料专项工程

（十）新材料创新能力建设专项工程

蓝宝石材料入选新材料“十二五”重点产品目录，成为“十二五” 新材料发展重点。

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3. 蓝宝石行业技术发展分析

3.1蓝宝石晶体生长技术发展

近些年，为了适应科学技术的发展和工业生产对于蓝宝石晶体质量、尺寸、形状的特殊要求，为了提高蓝宝石晶体的成品率、利用率以及降低成本，对蓝宝石的生长方法及其相关理论进行了大量的研究，成果显著。至今已具有较高的技术水平和较大的生产能力，为之配套服务的晶体生长设备——单晶炉也随之得到了飞速的发展。

图 3 蓝宝石晶体的生长技术发展

随着蓝宝石晶体应用市场的急剧膨胀，其设备和技术也得了迅速的发展。晶体尺寸从 2 吋扩大到目前的 12吋。低成本、高质量地生长大尺寸蓝宝石单晶已成为当前面临的迫切任务。总体说来，蓝宝石晶体生长方式可划分为溶液生长、熔体生长、气相生长三种，其中熔体生长方式因具有生长速率快，纯度高和晶体完整性好等特点，而成为是制备大尺寸和特定形状晶体的最常用的晶体生长方式。目前可用来以熔体生长方式人工生长蓝宝石晶体的方法主要有焰熔法、提拉法、区熔法、导模法、坩埚移动法、热交换法、温度梯度法、泡生法等（见表2）。

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而泡生法工艺生长的蓝宝石晶体约为目前市场份额的70%。

主要生长方法介绍：

1、凯氏长晶法(Kyropoulos method) [2012年4月] 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10 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，再以单晶之晶种（Seed Crystal，又称籽晶棒）接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的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，下图即为泡生法(Kyropoulos method)的原理示意图。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。

该方法主要特点：

1) 在整个晶体生长过程中，晶体不被提出坩埚，仍处于热区。这样就可以 精确控制它的冷却速度，减小热应力；

2) 晶体生长时，固液界面处于熔体包围之中。这样熔体表面的温度扰动和 机械扰动在到达固液界面以前可被熔体减小以致消除；

3) 选用软水作为热交换器内的工作流体，相对于利用氦气作冷却剂的热交 换法可以有效降低实验成本；

4) 晶体生长过程中存在晶体的移动和转动，容易受到机械振动影响。

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图 4 泡生法(Kyropoulos method)之原理示意图

2、柴氏拉晶法(Czochralski method)简称 CZ 法。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，晶体生长示意图如下图所示。先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再利用一单晶晶种接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上因温度差而形成过冷。于是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。每个部份都有其用意，生长晶颈主要是用来消除差排。因为长晶过程复杂，差排产生量不易支配，所以大部分的晶体生长过程，都以消除差排为主要选择。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。此步骤为晶尾生长，其目的是要避免晶棒与熔汤快速分离时，所产生的热应力，若在分离时产生热应力，此热应力将使晶棒产生差排及滑移线等缺陷。在现在的半导体产业中，CZ 法是最常见

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到的晶体生长法，由于能生长出较12 大直径之晶体。

该方法主要特点：

1) 在晶体生长过程中，可以方便的观察晶体的生长情况； 2) 晶体在自由液面生长，不受坩埚的强制作用，可降低晶体的应力；

3) 可以方便的使用所需取向籽晶和“缩颈”工艺，有助于以比较快的速率 生长较高质量的晶体，晶体完整性较好；

4) 晶体、坩埚转动引起的强制对流和重力作用引起的自然对流相互作用， 使复杂液流作用不可克服，易产生晶体缺陷；

5) 机械扰动在生长大直径晶体时容易使晶体产生缺陷。

图 5 柴氏拉晶法(Czochralski method)之原理示意图

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表 2 蓝宝石晶体生长技术比较

3.2蓝宝石行业原料、主要设备与生产流程

1、原料

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。目前国内生产高纯氧化铝的主流技术有三种：多重结晶法、醇盐水解法、直接水解法。多重结晶法具体又分为硫酸铝铵热解法和碳酸铝铵热解法,目前国内山东，上海，贵州等地的厂家，多数采取这种方法,它的缺点就是金属离子以及卤素元素难以去除，纯度可以达到 4N，基本已经极限了。醇盐水解法具体又分为异丙醇铝法和胆碱法，其中胆碱法是目前国内规模最大的 4N 级氧化铝生产方法，河北厂家用的是胆碱法，大连有几个厂用的基本都是异丙醇铝法，产品纯度一般优于胆碱法，国内 YAG 晶体行业比较习惯于用这种方法做的产品。直接水解法就是铝跟水直接反应生成氢氧化铝，水解过程在全密闭有机内衬

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环境中进行，不添加任何催化剂。这种方法能做出 4N 及 5N 的氧化铝，目前国内广州金凯新材料有限公司用这种生产方法。

图 6 蓝宝石晶体行业开发的高纯高密度氧化铝原料

高纯氧化铝生产厂家例如：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(胆碱水解法)，重庆同泰粉体科技有限公司，上海铱铭材料科技有限公司，山东淄博鑫美宇氧化铝有限公司等等。据业内人士经验得出，原料的成本约占20%，因此针对不同级别的蓝宝石，使用不同级别的料，合理控制生产成本也是非常重要的。

2、主要设备及工艺流程

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，国内长晶炉一般是采用压制烧结坩埚。晶体生长