LED蓝宝石衬底用高纯氧化铝可行性研究报告

LED蓝宝石衬底用高纯氧化铝可行性研究报告

第一章总论

一.项目背景

全球来看，半导体照明产业已形成以美国、亚洲、欧洲三大区域为主导的三足鼎立的产业分布与竞争格局。随着市场的快速发展，美国、日本、欧洲各主要厂商纷纷扩产，加快抢占市场份额。根据全球LED 产业发展情况，预计LED半导体照明将使全球照明用电减少一半，2007 年起，澳大利亚、加拿大、美国、欧盟、日本及中国台湾等国家和地区已陆续宣布将逐步淘汰白炽灯，发展LED照明成为全球产业的焦点。

中国LED 产业起步于20 世纪70 年代。经过30 多年的发展，中国LED 产业已初步形成了包括LED 外延片的生产、LED 芯片的制备、LED 芯片的封装以及LED产品应用在内的较为完整的产业链。在“国家半导体照明工程”的推动下，形成了上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄七个国家半导体照明工程产业化基地。长三角、珠三角、闽三角以及北方地区则成为中国LED 产业发展的聚集地。

目前，中国半导体照明产业发展向好，外延芯片企业的发展尤其迅速、封装企业规模保持较快增长、照明应用取得较大进展。2007 年中国LED 应用产品产值已超过300 亿元，成为LED 全彩显示屏、太阳能LED、景观照明等应用产品世界最大的生产和出口国，新兴的半导体照明产业链逐步完善。国内在照明领域已经形成一定特色，其中户外照明发展最快，已有上百家LED 路灯企业并建设了几十条示范道路，但国内在大尺寸LCD 背光和汽车前照灯方面仍显落后。

从2008 年LED 市场应用领域来看，LED 指示灯、LED 显示屏、手机键盘和相机闪光灯以及LCD 背光源位列销售量前四大领域。2008 年北京奥运会对LED 照明的集中展示让人们对LED 有了全新的认识，有力推动了中国半导体照明产业的发展。对国内企业而言，壮大规模、提高产品质量与技术水平是首要任务，提高未来取得大厂专利授权时的要价能力，或逐步通过研发突破核心专利。2008 年下半年以来，国际金融危机蔓延，中国宏观经济增速趋缓，经济形势的恶化使半导体照明行业也受到一定影响，产值增幅虽有所减慢，但仍保持增长态势。在基础设施建设投资力度加大，环保节能趋势明显，城市景观照明市场繁荣，产业结构优化等利好因素的刺激下，2009 年我国半导体照明行业继续保持快速增长的良好发展势头。

随着半导体照明的应用日益广泛，国内外大批厂商竞相投入这一新兴产业领

域。中国经济的飞速发展使得国际资本和民间资本对中国半导体照明市场青睐有

加，在国内市场掀起投资热潮，预计2010 年中国整个LED 产业的产值将超过1500

亿元。

   LED产业链中的主要原材料是蓝宝石，也就是氧化铝单晶，俗称刚玉，是一种简单配位型氧化物晶体。蓝宝石晶体具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，强度高、硬度大、耐冲刷，可在接近2000℃高温的恶劣条件下工作，因而被广泛的应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料。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。

近年来，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。蓝宝石技术特点及优势

1)抗弯强度400Mpa，断裂韧性2.0MPa•m1/2

2)硬度Hv 1800-2000 kg/cm2

3)0.2-7μm 波段，透波率不小于80%

4)在1-10GHz 微波波段，介电常数9-11.5，介电损耗tgδ<0.0001

5)耐温1450℃蓝宝石是氧化铝的单晶形态，具有强度高、硬度高、耐高温、耐磨擦、抗腐蚀能力强，光透性能、电绝缘性能优良等一系列特性。因此，作为重要的技术晶体材料，蓝宝石早已被广泛应用在耐高温高压器件、耐磨损器件、特种窗口、红外制导、导弹整流罩等国防、军事、科研高科技领域。

从目前可见一段时间，蓝宝石基片是当前蓝、紫、白光二极管(LED)和蓝光激光器(LD)工业的首选基片，是制造半导体蓝色发光二极管的关键性材料，广泛应用于移动电源节能发光体，目前整个国际市场需求量较大，由于技术较为先进，加工工艺较难，目前世界上工业化生产的规模及能力均满足不了市场需求。据了解，目前世界仅有俄罗斯、日本、美国等国家实现了工业化生产。蓝宝石基片也仅只是半导体照明产业链中的上游环节，用蓝宝石基片制成的蓝光激光器（LD）在光纤通讯、光电探测、数据存储及激光高速印刷等领域大显身手，发展迅速。目前太阳能最常用也是最成功的制成技术,是采用热分解SiH4 气体的气相沈积法，在蓝宝石上沉积得到单晶矽薄膜,拜研究IC 业界努力之赐,单晶薄膜太阳能电池搭此便车,将会加快商品化,及早问世。综上，蓝宝石下游用户应用较广泛的领域有：

1、高亮半导体普及照明、景观照明、高端汽车照明。

2、手机背光源、笔记本电脑屏幕、电视屏幕。

3、航空航天器整流罩、精密光学窗口。

4、航海器高级窗口、高级手表表镜。

5、硅薄膜太阳能电池衬底

二、现状分析

LED 用蓝宝石硅晶锭自2009 年出现缺货潮后，蓝宝石硅晶圆价格应声而涨，目前蓝宝石晶圆价格较2009 年同期增加3倍，较2010 年第1季增加约50%，也助长LED 封装等成品价格上升。(SapphireIngot)自2009 年出现缺货潮后，蓝宝石硅晶圆(SapphireWafer)价格应声而涨，目前蓝宝石晶圆价格较2009 年同期增加3 倍，较2010 年第1季增加约50%，也助长LED 封装等成品价格上升。业界正努力确保价格及供货量，2010 年底晶圆供不应求现象恐持续。据业界表示，全球蓝宝石硅晶锭产量居前2 名的美国Rubicon 和俄罗斯Monocrystal 进入第3 季后，双双提高产品价格，使蓝宝石晶圆、LED 芯片及封装价格也不稳定。蓝宝石晶圆占LED 芯片原料费约10%，是制作芯片相当重要的原料。

2008 年时硅晶锭仍供应过剩，2009 年时LED 业者相互竞争生产量，才导致供不应求的现况。Rubicon2009 年可生产切割成2 吋蓝宝石晶圆500 万片的硅晶锭，预计2010 年将扩大生产能力至650 万片规模，但此计划可能至年底才能实现。Monocrystal2009 年产能约400 万片规模，至2010 年仅增加50 万片至450万片规模。而向前述2间企业订购硅晶锭生产晶圆的日进显示(IljinDisplay)、CrystalOn 等南韩企业对原料的负担则是节节高升，过去将蓝宝石硅晶锭价格溢价部分全数转嫁给晶圆业者的三星LED 及LGInnotek 等LED 业者，近来也随着硅晶锭价格调高购买价格，每季执行调降单价的显示器业者上调原料费用在南韩也是相当罕见，充分显示伴随蓝宝石硅晶锭缺货而调涨价格的情况相当严重。LED 芯片及封装价格调涨，对三星电子(SamsungElectronics)、乐金电子(LGElectronics)等最近调高LEDTV 生产比例的下游产业影响相当深远，此外LED照明业则是当场陷入困境，虽不是背光模块用LED，三星LED 自5 月提供总经销商、代理商等的LED 照明部分产品也已调涨30%价格。由于蓝宝石晶圆价格上涨，照明用LED 的生产单价也随之增高。业界相关人员表示，过去有机金属化学气相磊晶(MOCVD)设备台数与LED 产量息息相关，但现在则是以硅晶锭、晶圆的数量来取决稼动率，目前透过扩大MOCVD 投资来增加产能是没有意义的。

三、国内宝蓝石材料项目新进展

目前全球最大的蓝宝石供应商是日本的Kyocera（京瓷），2007 年与Namiki（纳米奇，日本）、Rubicon（卢比肯，美国）一起排名前三。国内最大的生产厂商是哈尔滨工大奥瑞德光电技术有限公司，主要生产工艺采用提拉法。市场对4 英寸晶片的需求增长迅速，欧司朗、昭和电工等一些大公司已经开始将部分生产转向更大尺寸的衬底。三星已经宣布了6 英寸氮化物LED 产品计划，重要的蓝宝石制造商Monocrystal（莫诺晶体，俄罗斯）也展示了8 英寸蓝宝石。尽管如此，2 英寸蓝宝石晶片在LED 制造业中仍然保持主导地位。位居全球前十的蓝宝石供应商亚洲占有五席，约67%的市场份额，同时亚洲也是蓝宝石最大的消费地，仅台湾企业和日本企业就分别用去了销售总量的58%和19%。

目前国内已经有多家企业介入蓝宝石项目，如：江苏省阜宁县协鑫光电科技阜宁LED 蓝宝石项目总投资30 亿元人民币，一期投资10 亿元，新上500 台蓝宝石长晶炉，建设年产2000 万片2-4 英寸LED 蓝宝石衬底片，项目建成后，年可实现销售100 亿元，利税40 亿元。重庆四联集团年产值超100 亿元蓝宝石项目中国四联仪器仪表集团有限公司成功收购霍尼韦尔公司位于加拿大的蓝宝石业务。四联集团借此雄打造完整的宝石基片－蓝宝石－LED 产业链，其新投资的led 产业基地年产值预计将超过100 亿元。目前已经量产，年产50 万片蓝宝石晶片。青岛嘉星晶电科技股份有限公司LED 蓝宝石衬底晶片项目项目总投资1.2 亿元，预计三年内蓝宝石衬底产能将扩大到189 万片。目前，嘉星公司已正式生产和销售２英寸蓝宝石衬底晶片。水晶光电年产360 万片高亮度LED 用蓝宝石衬底项目项目名称：年产 360 万片高亮度 LED 用蓝宝石衬底项目项目投资金额：10,900 万元项目建设期：计划建设周期为 2 年常州武进高新区欧亚蓝宝光电“蓝宝石衬底”项目总投资2 亿元人民币，计划1-2 年内达到年产120 万片蓝宝石基片，3-5年达到年产300-400 万片蓝宝石基片，届时将成为亚洲最大的蓝宝石衬底材料生产企业。另外，公司项目二期将与无锡企业合作进入外延片、芯片领域，项目三期将进入封装领域，形成完整的产业链，项目二三期投资将超过5 亿元。

由于南韩、日本、中国大陆与台湾许多LED 厂正大幅扩充LED 产能，预期对上游材料需求增加幅度高，届时供应可能会吃紧。国际上已经有多家原料供应厂商也积极拓展产能。2011 年全球新增加的MOCVD 磊晶机台数量，LEDinside 预估和2010 年水准差不多，以2010 年来看预估是约500台，2011 年这方面的数字可能只会多不会少。有蓝宝石基板厂认为，MOCVD 机台扩产数量大，2011 年对上游材料的需求将呈现高度成长，对于蓝宝石基板厂商是利多。

目前在LED 蓝宝石长晶的业者有鑫晶钻、越峰，而蓝宝石基板厂包括中美晶、合晶、兆晶(奇美转投资)，兆远等等。

四、 蓝宝石衬底材料的发展前景

根据有关公司预测，到2012年GaN、蓝宝石和GaAs 衬底市场很雄厚，原因是化合物半导体的发展削弱了硅在整个晶片领域的地位。在三月发布的“化合物半导体材料报告”中，Yole 表示，化合物衬底在所有晶片半导体的总占有率从2005 年的53%上升至去年的64%。该公司也指出，低成本和大面积的衬底有助于进一步提高其占有率，到2012 年将上升至84%。LED 市场是蓝宝石衬底增长趋势的典型代表，蓝宝石从2"直接升级至4"。直到2012 年，蓝宝石衬底的销售额以20%的速度逐年递增。蓝宝石用于GaN LED的生长，使得化合物半导体市场的总占有率从2005 年的27%提高至32%。包括半导体和半绝缘材料在内，GaAs 衬底市场的销售额增长率有些降低，达到10%。然而，蜂窝电话功率放大器对半绝缘GaAs 衬底的需求，使得GaAs 衬底占去年半导体衬底市场64%的份额，所以10%增长率的威力还是不可小觑。其中，Freiberger、Sumitomo Electric（住友电工）和Hitachi able（日立电线）是前三位GaAs 衬底供应商，而前六或前七大芯片制造商绝大多数正在使用6"的半绝缘GaAs 衬底。GaN 衬底价格昂贵，但吸引越来越多的应用市场；GaN 是整个半导体衬底市场年增长率最高的一项，为125%，目前的市占率是0.1%。InP 和SiC 衬底还是化合物市场的小份额，到2012 年的年增长率分别是7%和5%。

五、高纯氧化铝的急剧需求

高纯氧化铝是制备蓝宝石的唯一原材料，LED市场的大幅度剧增，给高纯氧化铝的发展带来了生机和活力。尤其是5N氧化铝产品的优势更是显著。目前国内外高纯氧化铝生产中能够生产5个九的氧化铝厂家还为数不多，这是由于传统的氧化铝生产方法以及常用的碳酸铝铵、硫酸铝铵等制备方法中由于所用原料的限制使得产物纯度无法达到5个9的标准。而在制备透明氧化铝陶瓷、透明尖晶石陶瓷中，氧化铝的纯度又是最关键的指标之一，因此氧化铝纯度是扩展氧化铝应用领域的一个最重要的方面。

本项目就是采用国际先进的醇盐水解法制备超高纯度的氧化铝，通过这种方法制备出的高质量的氧化铝和氢氧化铝，达到国际同级水平甚至超过，拓宽了产品的应用领域，为该产品打开国际市场创造条件，受到了国内外客户的青睐。

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