藍寶石晶片機械化學研磨拋光新方法研究

❶ 藍寶石的晶體化學特徵

（一）晶體結構

藍寶石屬於三方晶系，空間群為

，晶胞參數a₀＝0.477nm,c₀=1.304nm,Z=6，在其晶體結構中，O^2-作六方最緊密堆積，堆積層垂直於三次軸，Al³⁺充填了由O^2-形成的八面體空隙數的2/3,（AlO₅）八面體在垂直c軸方向以共棱方式連接成層，O為四次配位，為四個Al所圍繞；平行c軸方向，以八面體共面或共角聯結，構成兩個實心八面體和一個空心八面體相間排列的柱體（圖2-1）。（AlO₆）八面體沿c軸方向構成三次螺旋對稱軸，由於相鄰Al³⁺之間的排列，使（AlO₆）八面體顯示三方畸變的特點，部分Al—O鍵長為0.1856nm，部分為0.1969nm，相鄰的O—O鍵長為0.252～0.287nm，垂直c軸相鄰的鍵長為0.279nm，平行c軸的Al—Al鍵長為0.265nm，晶體結構在//c和⊥c方向的異向性，導致了藍寶石對光波吸收的差異，在顏色上表現出明顯的異向性（沿c軸方向為藍色，垂直c軸方向為藍綠色至綠色）。

（二）化學成分

藍寶石的化學成分在理論上與剛玉礦物種成分具有一致性，其理論值Al為53.2%,O為46.8%，晶體化學式為Al₂O₃。但由於形成藍寶石地質環境的復雜性，其化學成分尤其是微量元素的含量具有較大的差異。我們選擇一些不同顏色的改色前山東昌樂地區藍寶石原石進行了電子探針分析，其結果列於表2-3。為了與其它國內產狀相類似的藍寶石對比，表中還列出了海南（石桂華等，1988）、江蘇（鄭子儷，1988）藍寶石的成分分析值。

由表2-3可見，昌樂藍寶石主要成分為Al₂O₃，其質量分數為97.55%～98.88%，所含微量成分主要有SiO₂、TiO₂、TFeO（Fe²⁺O+

）、MnO等，主要以類質同象存在於剛玉的晶格中，從單顆粒不同部位分析結果可見，它們在晶格中分布比較均勻。一般認為，微量元素Fe、Ti、Mn為藍寶石的主要致色元素（吳瑞華等，1994），故昌樂藍寶石的主要致色元素為Fe、Ti、Mn，鐵的含量最高，而且其含量比Ti、Mn高得多，在致色離子中起主導作用，海南、江蘇的藍寶石具有相同特點。

圖2-1剛玉的三個不同方向結構示意圖（據Hughes W.Rich,1997）

近幾年來人們在盧安達西南部的桑古谷地區發現了與山東昌樂藍寶石地質產狀十分相似的藍寶石礦（M.S.Krzemnicki et al.,1996），研究結果表明藍寶石來源一種延著東非大裂谷在第三紀岩漿擴張階段溢出的鹼性玄武岩的熔岩流。該礦區藍寶石的電子探針化學成分分析結果（表2-4）與昌樂藍寶石具相似性。

總體來看，藍黑色、深藍色藍寶石的全鐵含量較高，顏色稍淺的全鐵含量相對較低，但藍色深淺與全鐵含量之間沒有嚴格的線性關系，這個問題還有待於進一步研究。棕色藍寶石的全鐵含量最高，黃色藍寶石的全鐵含量也較高。Ti與Mn的含量普遍很低，而且不呈規律性。由此可見，鐵是昌樂藍寶石十分重要的致色元素，其含量與顏色之間具有十分密切的關系。

與世界著名產地藍寶石的Fe、Ti質量分數及m（Fe）/m（Ti）值相比（表2-5）（H.Harder,1969），昌樂藍寶石的Fe、Ti質量分數及m（Fe）/m（Ti）值與泰國藍寶石相似，Fe高於Ti幾十到幾百倍，在寶石市場中其顏色均屬同一類型，即深藍色。而優質的緬甸、斯里蘭卡藍寶石中Fe含量比昌樂、泰國藍寶石低很多，而且Fe與Ti含量相當，m（Fe）/m（Ti）值接近於1，呈現出優美明亮的淺藍色、天藍色、矢車菊藍等，具有很高的美學及商業價值。因此，要對昌樂藍寶石進行改色，使其顏色向優質藍寶石靠近，從根本上來說，是降低鐵在晶體中的含量，保留或增加Ti的含量，減小m（Fe）/m（Ti）值，向世界優質藍寶石m（Fe）/m（Ti）值靠近，這與目前世界寶石界公認的藍寶石改色理論相一致。

表2-3藍寶石電子探針成分分析結果（w_B/%）

測試條件：JCXA-733,Link 860Ⅱ；工作電壓15kV；電流200mA。標樣：剛玉。

測試單位：中國地質大學（北京）電子探針室。

表2-4盧安達西南部兩個藍寶石的定量分析結果（w_B/%）

n.d.表示低於檢測限。

據M.S.Krzemnicki等，1996。

表2-5山東昌樂及世界著名產地藍寶石Fe、Ti含量表

①通過表1中氧化物質量分數換算成元素的質量分數。

（三）原子吸收光譜分析

為了較精確測得昌樂藍寶石的致色離子Fe和Ti的含量，筆者進行了原子吸收光譜的測定。由於剛玉硬度僅次於金剛石，且物理化學性質穩定，熔點近2000℃，因此給測試帶來一定困難。在制樣過程中，首先利用剛玉的脆性將樣品砸碎，然後用吸鐵石不斷將混入的鐵屑吸出，再將其在1∶3鹽酸中浸泡48小時，最大限度地除去附著的鐵屑。然後用蒸餾水沖洗、過濾。在熔礦過程中採用硼砂-碳酸鈉熔劑，既可分解完全又較易提取，且降低了熔點。由此可見分析結果除鐵可能稍偏高外，數據還是可信的。

為了與探針結果對比，將分析的Fe₂O₃含量轉變為FeO含量，從表2-6中可見FeO與TiO₂數值與探針結果一致，並直觀地顯示出FeO的含量與顏色的深淺關系更為密切，含量越低，顏色越淺，而TiO₂的含量與顏色的關系卻很難簡單地體現出來。同時還表明1300℃熱處理時FeO、TiO₂含量幾乎不受影響。

表2-6藍寶石中Fe、Ti原子吸收分析

（四）成分中的Fe、Ti線、面能譜分析

為了了解Fe和Ti在藍寶石晶體中的分布情況，首先對Fe和Ti進行了面掃描，結果表明半透明深藍色藍寶石中Fe和Ti近於均勻分布。然後對Fe和Ti進行大范圍線掃描（掃描線長5.35mm），研究Fe、Ti的成分環帶是否與顏色環帶相同（圖2-2）。由於藍寶石中Fe、Ti含量相對於儀器測試精度較低，因此誤差較大，但仍可反映出總的分布規律：成分環帶與顏色環帶幾乎一致，而Fe和Ti的含量之間有一定的聯系，Fe含量高，Ti含量也較高，但這種規律並不絕對。由測試樣品生長環帶形態可知，在靠晶體外緣一側，Fe含量明顯較高，這可能是由於藍寶石由鹼性玄武岩漿（超鎂鐵質）攜至地表，岩漿中鐵含量較高，部分鐵向晶體內擴散造成的。

圖2-2藍寶石5.35mm Fe、Ti線掃描及樣品素描

❷ 熔體泡生法生長高質量藍寶石的原理和應用

孫廣年於旭東沈才卿

第一作者簡介：孫廣年，中寶協人工寶石委員會第一、二屆委員，第三屆副主任委員，浙江省巨化集團晶體材料廠廠長。

一、引言

材料科學是現代文明的三大支柱（能源、信息、材料）之一，是人類文明的物質基礎。晶體生長屬於材料科學范疇並且是它的發展前沿。業已證明，一些高新科學技術的發展，無一不和晶體材料密切相關；軍事工業的發展，例如導彈、無人駕駛飛機、潛艇、人造衛星及宇宙飛船等的窗口材料都需要晶體生長的優質材料，這些材料的好壞決定著技術水平的高低，而且只有在材料方面有所突破，才能希望相關技術有所突破。高質量的無色藍寶石由於它的特殊優良性能，有著非常廣泛的用途，例如藍寶石單晶具有獨特而優良的物理化學性質，特別是在0.2～5.0μm波段有良好的透光性，可廣泛用於紅外軍事裝備、衛星和空間技術等領域。由於藍寶石晶體的電介質絕緣、有恆定的介電常數等特性，使其成為應用最廣泛的襯底材料之一。為此，世界各國都在想方設法進行研究和生產。浙江省巨化集團公司晶體材料廠經過多年的努力，用熔體泡生法和熔體提拉法相融合的技術生產出了高質量的無色藍寶石，已生產出直徑達到220mm以上，重28kg以上，不僅可以用於軍事工業的窗口材料，也可以用於襯底材料和發光二極體（LED）節能環保行業，具有無限的潛力和發展前景。

二、高質量藍寶石晶體生長技術簡要

藍寶石是剛玉寶石的一種，除了紅色的紅寶石以外，其他剛玉寶石都叫藍寶石。無色藍寶石是藍寶石中的一種，化學成分為三氧化二鋁（Al₂O₃），三方晶系，拋光表面具亮玻璃光澤至亞金剛光澤，一軸晶負光性，折射率值為1.762～1.770，雙折射率為0.008～0.010，摩氏硬度為9，密度約為4.00g/cm³。

藍寶石的人工合成方法主要有焰熔法、助熔劑法和熔體法，其中熔體法又包括好幾種方法。但是，焰熔法和助熔劑法都不能生長出高質量的藍寶石大晶體，原因是：焰熔法生長的寶石晶體除單個晶體比較小外，晶體還具有大量的鑲嵌結構，質量欠佳；助熔劑法生長的寶石晶體也很小，並且包含有助熔劑陽離子，質量也不太好。只有熔體法生長的寶石晶體具有純度和完整性都高的特點，並且單個晶體大，能成為現代高科技及國防工業急需的高質量寶石晶體。熔體法生長寶石的原理是：將構成寶石成分的原料放在耐高溫坩堝中加熱熔化，然後在受控條件下，通過降溫使熔體出現過冷卻，從而使晶體生長出來的方法。由於降溫的受控條件不同，因此從熔體中生長出高質量寶石晶體的方法也稍有不同。目前，世界上主要的熔體法高質量藍寶石晶體生長技術有以下4種：①Czochalski熔體晶體提拉法；②EFG（Edge-defined Film-fed Growth）熔體導模法；③HEM（Heat Exchanger Method）熔體熱交換法；④Kyropoulos Method熔體泡生法。以上4種從熔體中生長寶石晶體的方法，其技術特點和優缺點簡要介紹如下。

1.熔體晶體提拉法

熔體晶體提拉法（簡稱熔體提拉法）是利用籽晶從熔體中提拉生長出晶體的方法。該方法能在短期內生長出大而無位錯的高質量單晶，是由J.丘克拉斯基（J.Czochalski）在1917年首先發明的，所以又稱丘克拉斯基法，簡稱 Cz提拉法，為熔體中生長晶體最常用的方法之一。其主要技術特點是所有使用提拉法生長晶體的共同基礎，簡述如下：將寶石組分的原料裝在坩堝中，並被加熱到原料的熔點以上，此時，坩堝內的原料被熔化成熔體；在坩堝的上方有一根可以旋轉和升降的提拉桿，桿的下端帶有一個夾頭，其上裝有籽晶，降低提拉桿，使籽晶插入熔體中，調好溫度，使籽晶既不熔掉也不長大，然後緩慢地向上提拉和轉動籽晶桿。同時，緩慢地降低加熱功率，經過縮頸—擴肩—等徑生長—收尾的生長全過程，就能得到所需直徑的晶體。整個生長裝置安放在一個可以封閉的外套里，以便使生長環境中有所需要的氣氛和壓強；通過外罩的窗口，可以觀察到生長的情況。其生長原理見圖1。此方法的主要優點是：①在生長過程中可方便地觀察晶體生長的狀況；②晶體在熔體表面處生長，不與坩堝相接觸，這樣能顯著減小晶體的應力，並防止坩堝壁的寄生成核；③可以方便地使用定向籽晶和「縮頸」工藝。「縮頸」後的籽晶，其位錯可大大減少，這樣可使擴肩後生長的晶體，其位錯密度降低，得到完整性很高的晶體。此方法的主要缺點是晶體比較小，最多能達到直徑2～3英寸

1英寸＝25.4mm。，不能適應現代高科技和國防工業對大尺寸晶體的要求。在生長大尺寸晶體上，其他3種方法都優於Czochalski熔體晶體提拉法。

20世紀70年代，由於激光材料研究的需要，我國開始研製人造釔鋁榴石（YAG）和人造釓鎵榴石（GGG）晶體的熔體提拉法生長技術，由於軍事工業發展的需要和尖端科技研究及應用的需要，熔體提拉法生長寶石晶體技術後來得到了進一步的發展和完善，現在已能夠順利生長出許多有實用價值的寶石晶體（圖2,3），如合成無色藍寶石、合成紅寶石、人造釔鋁榴石（YAG）、人造釓鎵榴石（GGG）、合成變石等。

圖1 熔體提拉法晶體生長示意圖

圖2 熔體提拉法生長的藍寶石晶體

圖3 熔體提拉法生長的激光晶體

2.熔體導模法

熔體導模法是改進型的熔體晶體提拉法，可以控制晶體形狀。其主要工藝技術特點是：將一個高熔點的惰性模具放於熔體之中，模具的上表面具有所需形狀的「圖案」，下部帶有細的管道直通模具頂端，熔體由於毛細作用被吸引到模具的上表面，與一個籽晶接觸後，熔體隨籽晶的提拉而高於模具表面時，能自動拓展到「圖案」的邊緣，在隨後的提拉中生長出模具頂端形狀的晶體。它的主要優點是可以按我們的要求生長出多種形狀的晶體，Saint-Gon公司用此技術能夠生長直徑450mm到500mm的藍寶石光學用晶片，而日本京瓷公司則可以用改良的技術生長LED襯底使用的C面晶片，並擁有該項技術的專利。其原理示意如圖4所示。此方法生長晶體的設備和工藝技術難度較大，不易推廣。

圖4 熔體導模法晶體生長示意圖

圖5 熔體熱交換法生長的350mm藍寶石晶體

3.熔體熱交換法

熔體熱交換法的實質是控制溫度，讓熔體在坩堝內直接凝固結晶。其主要技術特點是：要有一個溫度梯度爐，這個溫度梯度爐是在真空石墨電阻爐的底部裝上一個鎢鉬製成的熱交換器，內有冷卻氦氣流過。把裝有原料的坩堝放在熱交換器的頂端，兩者中心相互重合，而籽晶置於坩堝底部的中心處，當坩堝內的原料被加熱熔化以後，氦氣流經熱交換器進行冷卻，使籽晶不被熔化。隨後，加大氦氣的流量，帶走更多的熔體熱量，使籽晶逐漸長大，最後使 整個坩堝內的熔體全部凝固。此方法的主要優點是：晶體生長時，坩堝、晶體、加熱區都不動，消除了由於機械運動而造成晶體的缺陷；同時，可以控製冷卻速率，減少晶體的熱應力及由此產生的晶體開裂和位錯等缺陷，是生長優質大晶體的好方法。但這個方法的設備條件高，整個工藝復雜，運行成本高，因此並沒有被廣泛應用。該工藝為Crystal System公司專利技術，主要為美國軍方提供整流罩，目前已經生長出直徑350mm的藍寶石晶體（圖5）。

4.熔體泡生法

熔體泡生法是1926年由Kyropouls發明的，經過幾十年來科研工作者的不斷改進和完善，目前是解決熔體晶體提拉法不能拉大直徑晶體的方法之一。其生長晶體原理示意如圖6所示，其主要技術特點是：將待生長的晶體原料放在耐高溫的坩堝中加熱熔化，然後調整爐內溫度場，使熔體上部處於稍高於熔點狀態；籽晶桿上安放一顆籽晶，讓籽晶接觸熔融液面，待籽晶表面稍熔後，降低表面溫度至熔點，提拉並轉動籽晶桿，使熔體頂部處於過冷狀態而結晶於籽晶上，在不斷提拉的過程中，生長出圓柱狀晶體。晶體在生長過程中或生長結束時不與坩堝接觸，這就大大減少了晶體的應力，可以獲得高質量的大直徑晶體。它與熔體晶體提拉法不同之處在於擴肩時晶體直徑比較大，幾乎與坩堝直徑相同（比較圖1和圖6），加上晶體不與坩堝接觸，這些就是熔體泡生法的工藝特點和難點所在。浙江巨化集團公司晶體材料廠通過將熔體泡生法與熔體提拉法技術相融合，開發了這種高質量的藍寶石生長技術，並以生長無色優質藍寶石晶體為主要產品，有人也把此方法稱為「熔體泡生提拉法」。目前已能生長出直徑220mm以上，重28kg以上的高質量無色藍寶石晶體，產品見圖6。

圖6 熔體泡生法生長晶體的原理示意圖及其產品

三、熔體泡生法生長高質量無色藍寶石晶體的工藝

1）將純凈的α－Al₂O₃原料裝入坩堝中。坩堝上方裝有可旋轉和升降的提拉桿。桿的下端有一個籽晶夾具，其上裝有一粒定向的無色藍寶石籽晶（註：生長無色藍寶石時不加致色劑，籽晶也要用無色藍寶石，無色藍寶石晶體比有色藍寶石晶體用處更大）。

2）將坩堝加熱到 2050℃以上，降低提拉桿，使籽晶插入熔體中。

3）控制熔體的溫度，使液面溫度略高於熔點，熔去少量籽晶以保證能在籽晶的清潔表面上開始生長。

4）在實現籽晶與熔體充分沾潤後，使液面溫度處於熔點，緩慢向上提拉和轉動籽晶桿。控制好拉速和轉速，籽晶就逐漸長大。

5）小心地調節加熱功率，使液面溫度等於熔點，實現寶石晶體的縮頸—擴肩—等徑生長—收尾的生長全過程。

整個生長裝置安放在一個外罩里，以便抽真空後充入惰性氣體，使生長環境中保持所需要的氣體和壓強。通過外罩上的窗口可觀察晶體生長情況，以便隨時調節溫度，使晶體生長過程正常進行，用這種方法可以生長出大直徑高質量的無色藍寶石晶體。

四、熔體泡生法生長優質藍寶石的技術要點

藍寶石屬三方晶系，晶體結構存在著兩個主要的滑移體系（底面滑移系和柱面滑移系），因此在採用提拉法生長藍寶石單晶工藝中，溫場的溫度梯度和晶體生長方向的合理選擇將對藍寶石單晶的質量產生關鍵的影響。

1.建立合理的溫度梯度是生長優質晶體的首要條件

熱系統是溫度梯度的決定因素，是生長優質晶體的基本條件。當晶體恆溫生長時，根據界面穩定條件：

中國人工寶石

而

中國人工寶石

所以有

中國人工寶石

因此界面保持穩定的最大生長速率為

中國人工寶石

式中：

和

分別為界面附近熔體和晶體中的溫度梯度；K₁和K_s分別為熔體和晶體的熱導率；L為結晶潛熱；ρ為晶體密度。

從式（3）中可以看出，晶體的最大生長速率取決於晶體中溫度梯度的大小，要提高晶體的生長速率，必須加大溫度梯度。但是，晶體中溫度梯度過大，將會增加晶體的熱應力，引起位錯密度增加，甚至導致晶體開裂。

因此，根據無色藍寶石單晶的熱導率等性質，建立合理的溫度梯度是生長完整單晶的前提。

2.晶體的生長方向選擇很重要

無色藍寶石屬於三方晶系，存在有兩個主要的滑移系：（0001）面沿

方向的底面滑移系和

面沿

方向的柱面滑移系。滑移最易沿原子密度大的晶向發生，因此晶體生長界面與（0001）面交角大時，由於底面滑移，易於產生大量晶界；當滑移比較嚴重時，則可能產生滑移帶，形成孿晶；相反，則不易產生滑移，晶界不易生成。

沿0°取向即（0001）生長時，晶體外形的對稱截面雖易呈六角形，但是缺陷會優先在光軸方向增殖，容易形成鑲嵌結構，破壞晶體結構的完整性。

由此可見，選擇合適的晶體生長方向是必要的，我們根據多次試驗找到了生長優質無色藍寶石的晶體生長方向。我們認為，根據所建立的溫度梯度，選擇合適的晶體生長方向是生長高質量無色藍寶石單晶的關鍵。

五、熔體泡生法生長優質無色藍寶石的應用

熔體泡生法生長的優質藍寶石通常應用於國防工業、軍工科技和尖端科學技術研究領域，其邊角料或不合格原料可以用於珠寶首飾行業。熔體泡生法生長的優質藍寶石之所以在國防工業、軍工科技和尖端科學技術研究領域中有廣泛的應用，是由無色藍寶石晶體本身的優良性能決定的。無色藍寶石單晶的部分性能參數見表1。

表1 無色藍寶石單晶部分性能

1.優質無色藍寶石晶體在基底中的應用

優質無色藍寶石晶體由於其卓越的性能，在一些基底應用中成為首選材料。主要表現在以下幾個領域內：

1）藍光 LED發光二極體基底材料（BLED』s）——在無色藍寶石基底上生長Ⅲ—V族和Ⅱ—Ⅵ族化合物；

2）紅外探測器——無色藍寶石晶體可以作為生長碲鎘汞晶體（HgCdTe）的基底；

3）砷化鎵晶片（GaAs）的基底；

4）微波集成電路材料。

一方面在微電子集成電路應用方面，R面—

晶面的無色藍寶石襯底是異質外延硅的首選材料：由於無色藍寶石單晶具有高且穩定的介電常數，使其特別適合作微波和高速集成電路以及壓力感測的異質襯底。另一方面，在無色藍寶石單晶上可以外延鉈等混合超導化合物，製作高電阻器件，也可以用來生長GaAs或者用它做其他一些材料的載片。

另外，A面—

晶面無色藍寶石單晶襯底：由於無色藍寶石單晶具有穩定的介電常數和高絕緣性，可用作高溫超導材料的載體。

再有，C面—｛0001｝晶面的無色藍寶石單晶襯底有單面或者雙面拋光的，被廣泛應用於外延生長Ⅲ—V和Ⅱ—Ⅵ族化合物，如藍光 LED用的GaN襯底（白光 LED是在藍光 LED的基礎上，經過熒光粉效應而產生的）。其次，也被用於製作紅外探測用的汞鎘銻化合物器件的載體。

2.優質無色藍寶石在發光二極體（LED）領域中的應用

LED的應用領域非常廣，包括通訊、消費性電子、汽車、照明、信號燈等。我們可大體把它們區分為背光源、照明、電子設備、顯示屏、汽車等五大領域。在地球資源日漸衰竭的今日，環保和節能是當今各產業發展的重心，尤其是需要消耗大量電力的照明產業，在光源的研發上，更趨向於環保和節能。發光二極體（LED）的出現，是對人類照明世界的一次革命，對人類的未來有著重大影響與改變。LED除了耗能低、壽命長之外，還有以下優點：

1）應用非常靈活：可以做成點、線、面各種形狀的輕、薄、短小產品；

2）環保效益佳：由於光譜中沒有紫外線和紅外線，也沒有熱量和輻射，屬於典型的綠色照明光源，而且廢棄物可回收，無污染；

3）控制極為方便：只要調整電流，就可以隨意調光，不同光色的組合變化多端，利用時序控制電路，更能達到豐富多彩的動態變化效果。

LED不僅可用於大型廣告顯示屏，還可以用於建築和交通照明。白光 LED的出現，是 LED從標識功能向照明功能跨出的實質性一步。白光LED最接近日光，能較好地反映照射物體的真實顏色，所以，從技術角度看，白光 LED無疑是LED最尖端的技術。

白光LED的市場應用將非常廣泛，也是白熾鎢絲燈泡及熒光燈的「殺手」。目前，白色LED已開始進入一些實際應用領域，如應急燈、手電筒、閃光燈等產品已相繼問世。

據美國能源部預測，2010年前後，美國約有55%的白熾燈和熒光燈將被白光 LED替代，每年節電價值可達350億美元，可形成一個500億美元的大產業。日本提出，白光 LED將在2008年左右大規模替代傳統白熾燈。為了搶占未來市場的制高點，通用電氣、飛利浦、奧斯拉姆等世界三大照明工業巨頭紛紛行動，與半導體公司合作成立 LED照明企業，目標是在 2010年前把LED發光效率再提高8倍，價格降低99%，前景多麼誘人！

3.優質無色藍寶石在GaN外延襯底材料中的應用

優質無色藍寶石晶體是目前唯一商用的GaN外延襯底材料，而半導體發光技術的新成就，為優質無色藍寶石晶體的應用開創了新的前景。通過在無色藍寶石晶體基片上外延GaN，可以製作藍光發光二極體（LED）。

目前LED的重要用途和前景正逐漸被人們所認識，隨著 LED產業化的飛速發展，大尺寸、高品質的藍寶石晶體將成為市場的新寵。

六、結語

我們用熔體泡生法與熔體提拉法相融合的技術生長出了優質的大直徑無色藍寶石。為了獲得高質量的無色藍寶石單晶，在晶體生長過程中，從晶體本身的特性出發，建立了合理選擇溫度梯度和晶體生長方向相融合的生長工藝。熔體泡生法生長的高質量無色藍寶石單晶的應用領域非常廣泛，可以應用於國防工業、軍工科技和尖端科學技術研究領域，尤其是在襯底領域和發光二極體（LED）方面的應用，表現出優異的發展前景。

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❸ 藍寶石拋光用什麼材料

在藍寶石的拋光工藝中, 常用的磨料主要包括金剛石、二氧化硅溶膠、氧化鈰和氧化鋁等磨料。
實驗數據表明，a-氧化鋁拋光粉（VK-L30F，0.3um,球型）在藍寶石拋光過程中的優勢明顯，效果最好。
其一：拋光粉硬度比較：
1） 金剛石只用於傳統的機械拋光，其硬度（莫氏10）比藍寶石(莫氏
9)硬度高，容易產生劃傷，藍寶石表面損傷度高，良率低。
2）氧化鋁（VK-L30F）的硬度與藍寶石相當，顆粒球型，拋光速率高，不易起劃傷，良率高，是比較理想的拋光材料。
3）SiO2硬度（莫氏硬度7.5）比藍寶石低，拋光速率比氧化鋁拋光粉慢很多，拋光比較耗時。
其二：拋光效果比較：

在拋光C-平面藍寶石襯底時，a-氧化鋁拋光粉（VK-L30F，0.3um）製成的研磨液的拋光性能（去除速率和表面質量等）優於其他磨料，
具體表現如下：
1）形成的水化層增加，拋光過程中，在藍寶石基底上持續形成水化層，它比基底層軟，該層的形成有利於材料的去除，並產生高質量表面。
2）表面質量改善，a-氧化鋁與基底藍寶石的硬度一樣，因此，磨料劃傷藍寶石的可能性很小。
3）去除速率增加，a-氧化鋁磨料經歷了與基底藍寶石一樣的表面水化，在基底寶石與磨料水化層之間的化學機械作用加速了材料去除，當磨料和基底藍寶石的表面在拋光壓力下靠在一起並剪切時，就相互粘附，進一步的剪切就會使粒子撕開鍵合的水化層，通過粒子的前邊沿促進材料去除。表面粗糙度能小於0.2nm.
4）氧化鋁拋光液在循環過程中穩定性更好，二氧化硅拋光液在使用過程中溫度必須嚴格控制，以防止結塊，但氧化鋁研磨液就比較穩定，也顯示了很好的潔凈度。
實驗1：採用氧化鋁拋光粉對藍寶石襯底進行拋光，拋光液的pH為10時拋光效果最好，表面粗糙度RMS可達0.2nm。拋光壓力在0. 12Mpa 至0. 15Mpa ，拋光液濃度為10%時較佳。濃度越高，拋光速率越快。
目前很多領先的藍寶石加工廠正在評估並使用基於氧化鋁研磨液用於更大直徑晶圓拋光。

參考資料：
http://www.bmlink.com/jingruiy/news/438833.html

❹ 用於大規模集成電路化學機械拋光的新材料制備及應用

楊華明 宋曉嵐 邱冠周

（中南大學無機材料系，湖南長沙 410083）

本項目是科技部國際合作重點項目。

一、內容簡介

（一）目的與意義

世界半導體產業進入大尺寸晶圓時代後，要求IC元件有最優的表面平整度，以滿足微米及亞微米集成電路的製造工藝。化學機械拋光（CMP）是目前全局平坦化中最好的技術，也是解決多層絕緣介質層和多層金屬布線全程平坦化的唯一有效的辦法，加工工藝簡單、成本低。

CMPA光液和微米級磨料全球僅有少數供貨商，國內半導體廠之需求皆仰賴進口，相對於國外進口的CMPA光液產品，國產的CMPA光液產品除新鮮外，還有價格適宜、送貨迅速、配套服務與專業的技術支持及時等優點。

（二）關鍵技術

1.鋯英砂-Al₂O₃體系的高溫熔鹽相平衡規律及顆粒分級技術的研究

鋯英砂-Al₂O₃體系的高溫熔鹽相平衡的測定，利用XRD技術研究平衡物種的組成，確定形成高性能的ZrSiO₄-α-Al₂O₃磨料的條件；研究超細粉碎與控制分級技術，確定得到粒度分布均勻、分散性良好且具有一定規律稜角的研磨料的工藝條件；開發出一種天然資源的高價值利用的途徑，利用天然的鋯英砂生產高附加值的電子器件研磨料。

2.復合納米顆粒的制備與穩定分散技術

研究內容包括：通過納米SiO₂-Al₂O₃、SiO₂-CeO₂、Al₂O₃-CeO₂的控制生長基礎研究，確定球狀納米復合顆粒的形成條件，以及Na^＋的脫除工藝條件；研究納米復合粉體的表面化學性質和溶液化學性質；研究復合顆粒體系的懸浮液在不同離子強度、pH值及溶液性質條件下的顆粒表面電荷變化規律；研究漿料體系的動力性質、電學性質以及漿料聚沉作用機理和聚沉動力學，確定拋光液的穩定化工藝條件。在SiO₂系、SiO₂-Al₂O₃系、SiO₂-CeO₂系納米粗拋和精拋液理論的基礎上，開發具有國際先進水平的多種用途的CMP拋光漿料產品。

3.分子模擬技術研究拋光液的配方

以計算化學為基礎，利用cerius2.0和gaussian 98等軟體在SGI工作站上進行模擬拋光液中各組分和硅晶圓表面的相互作用，指導拋光液配方的設計。

二、推廣應用

在國內外首次由天然鋯英砂制備微米級研磨料及納米顆粒的均一穩定化技術，其技術關鍵為均一的ZrSiO₄-α-Al₂O₃相形成及合適的破碎分級技術和納米顆粒的制備及均一穩定化技術和工藝。在高溫熔鹽相圖方面，成功地採用神經網路技術預測多元熔鹽體系的相圖，並在KBr-MnSO₄-CsCl體系中得到應用；在細粒分級技術研究方面，能在實驗室得到平均粒徑為7.21μm且粒徑分布集中的ZrSiO₄-α-Al₂O₃顆粒，說明以鋯英砂為原料完全可以制備高檔次的研磨料，但是該產品的核心技術還在於相圖的控制以得到組分均勻的產品。其思路是先通過實驗得到二元相圖，然後通過神經網路技術模擬鋯英砂中的主要雜質Fe₂O₃、MgO、CaO、TiO₂的影響及熔化類型進行預測，確定平衡固相物種及組成，從而達到分離雜質得到均一的ZrSiO₄-α-Al₂O₃產品的目的。

三、鑒定、獲獎、專利情況

本項目已申請國家發明專利4項，相關產品已在國內一些單位進行了試用，效果較為理想，在半導體領域具有重大的推廣價值。

❺ 機械化學拋光的原理是什麼所能達到的粗糙度是多少

深圳金鑫精密機械為您解答：
化學機械研磨技術綜合了化學研磨和機械研磨的優勢。單純的化學研磨，表面精度較高，損傷低，完整性好，不容易出現表面/亞表面損傷，但是研磨速率較慢，材料去除效率較低，不能修正表面型面精度，研磨一致性比較差；單純的機械研磨，研磨一致性好，表面平整度高，研磨效率高，但是容易出現表面層/亞表面層損傷，表面粗糙度值比較低。化學機械研磨吸收了兩者各自的優點，可以在保證材料去除效率的同時，獲得較完美的表面，得到的平整度比單純使用這兩種研磨要高出1-2個數量級，並且可以實現納米級到原子級的表面粗糙度。

但是精度越高，一般所用時間就越長，機械越精密。成本越高。
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❻ 魏昕的科研項目

魏昕, 國家自然科學基金,No.51175092,2012.1-2015.12,60萬元, 超薄不銹鋼基板超精密化學機械拋光方法和機理研究, 2011.08 - null.null
康仁科，魏昕, 國家自然科學基金重點項目（NSFC-廣東聯合基金），No. U0734008，2008.1-2011.12，150萬元, 矽片與光電晶體基片的高效低損傷超精密磨削技術研究, 2011.01 - null.null
魏昕, 國家自然科學基金,No.50675038, 2007.1-2009.12,27萬元, 短波長激光超精密冷拋光藍寶石晶片的新方法及其機理研究, 2006.08 - null.null
魏昕, 教育部博士點基金項目，No.2010A4420110002，2011.1-2013.12,6萬元, 基於拋光墊表面微楔形槽流體動壓效應的超薄不銹鋼基板超精密化學機械拋光技術研究, 2011.02 - null.null
魏昕, 廣東省重大專項，No.2009A080202006，2009.1-2010.12，300萬元, 智能型高速節能PET瓶關鍵技術研究及產業化, 2008.09 - null.null
魏昕, 廣東省科技計劃項目，No.2010A040203002，2010.9-2012.8，20萬元, 面向企業設計創新的工業設計服務平台, 2009.08 - null.null
魏昕, 省部產學研結合專項資金項目，No. 2006D90304002，2007.1-2008.10，40萬元, 大型柴油機的節油長壽激光處理技術, 2006.08 - null.null
魏昕，等, 廣東省科技計劃項目，No.2007A070600010，2007.9-2008.2，5萬元, 廣東重點產業引進技術消化吸收再創新的模式研究, 2007.01 - null.null
魏昕, 廣東省科技計劃項目，NO. 2005B10201019, 2005.9-2007.8,10萬元, 大直徑硅晶圓高效低損耗新型線切割技術研究, 2005.08 - null.null
魏昕, 廣東省科技計劃項目，NO.2004B10201018，2004.9- 2006.8，8萬元, 藍寶石晶片短波長激光超精密冷拋光新方法及其關鍵技術研究, 2004.08 - null.null
魏昕, 廣東省科技計劃項目，NO. 2002C1020201，2003.1- 2004.12，18萬元, 新型光電子單晶材料超光滑表面加工產業化關鍵技術, 2002.08 - null.null
謝小柱，魏昕, 廣東省自然科學基金項目， 2010.10-2012.10 ，5萬元, 基於流體動壓效應超薄不銹鋼基板化學機械拋光技術研究, 2010.08 - null.null
魏昕, 廣東省自然科學基金項目，2008.10-2010.10，5萬元, 基於力控制進給的矽片高效低損傷超精密磨削技術研究, 2007.08 - null.null
魏昕, 廣東省自然科學基金項目，NO.5001807, 2006.1-2007.12,6萬元, 新型線切割硅晶片的過程及機理研究, 2005.08 - null.null
魏昕, 廣東省自然科學基金NO.990142, 2000.1-2002.12,8萬元, 新型金剛石鋸片高速干切削混凝土製品研究, 1999.08 - null.null
魏昕, 廣州市科技計劃項目，NO. 2005J1－C0081, 2005.9-2007.8,12萬元, 藍寶石晶片激光冷拋光方法及其關鍵技術研究, 2005.06 - null.null
魏昕, 教育部回國人員科研啟動基金，教外司〔2003〕14號，2003.1-2005.12，2萬元, 新型光電子元件基片高效精密拋光技術研究, 2002.09 - null.null
魏昕, 番禺區科技計劃項目，NO. 2009－z－09－1, 2009.1-2010.12,30萬元, 高架橋式龍門五面加工中心研究開發, 2008.05 - null.null

❼ 任務紅寶石和藍寶石

紅寶石（ruby）和藍寶石（sapphire）都屬於剛玉（corunm）族的寶石。由於形成條件不同，剛玉中可含有不同的微量元素，因而呈現出不同的顏色，其中呈紅色者為紅寶石，呈其他顏色者統稱為藍寶石。紅寶石和藍寶石都是人們十分珍愛的高檔寶石，紅寶石鮮紅似火，藍色藍寶石清澈透藍，它們與鑽石、祖母綠和貓眼石同被列為世界五大名貴寶石。

一、基本性質

（一）結晶學性質

晶系 三方晶系。

結晶習性 晶體常為六邊形桶狀或柱狀，有時呈板狀或雙錐狀，具雙晶 （圖6-4）。

雙晶 剛玉的雙晶有兩種： 一是在晶體生長過程中形成的生長雙晶；二是在機械作用下面網滑動形成的機械雙晶。剛玉的生長雙晶只在特定的產地可見，例如斯里蘭卡和克什米爾，而絕大多數剛玉寶石的雙晶是由於面網滑動、晶格變形造成的簡單接觸雙晶或聚片雙晶。剛玉寶石的聚片雙晶通常平行 ｛1011｝，少數情況下平行 ｛0001｝。

表面特徵 在錐和柱面上常有橫的條紋，加上特徵的三角生長標志，為紅寶石和藍寶石的原石晶體鑒定提供了良好的識別標志。

（二）化學成分

主要化學成分 鋁的氧化物，化學分子式為Al ₂ O ₃。

圖6-4 剛玉的晶體及雙晶

微量組分 當剛玉不含雜質元素時，為無色；當含其他雜質元素時則呈現各種不同的顏色，並構成不同的寶石品種。如含Cr₂ O₃ 0.01%～0.05%者為淺紅；含Cr₂ O₃ 0.1%～0.2%為桃紅；含Cr₂ O₃ 2%～3%為深紅色；含Cr₂ O₃ 0.2%～0.5% ＋NiO 0.5%為橙紅色；含TiO₂ 0.5% ＋Fe₂ O₃ 1.5% ＋Cr₂ O₃ 0.1%為紫色；含TiO₂ 0.5% ＋Fe₂ O₃ 1.5%為藍色；含NiO 0.5% ＋Cr₂ O₃ 0.01%～0.05%為金黃色；含CoO 1.0% ＋V₂ O₃ 0.12% ＋NiO 0.3%為綠色；含V₂ O₅ 在日光燈下為藍紫色，在鎢絲白熾燈下紅紫色，即具變色效應。

（三）物理性質

1.光學性質

顏色 變化大，並決定寶石的品種。紅寶石即紅色的剛玉寶石，它包括了紅色、橙紅色、紫紅色、褐紅色的剛玉寶石。藍寶石即除去紅寶石以外的其他顏色的剛玉寶石，它包括藍色、藍綠色、綠色、黃色、橙色、粉色、紫色、灰色、黑色、無色等多種顏色。根據GB/T16552—2003《珠寶玉石名稱》標准，上述剛玉寶石均直接定名為藍寶石。

光澤 亮玻璃光澤。

透明度 透明 不透明。

折射率 1.76～1.78。

雙折射率 0.008。

色散 低，為0.018。

多色性 中等到強，具體取決於品種。

光學效應 最重要的是星光效應，極少見貓眼效應，也有似變石的變色效應。

發光性 紅寶石在長波紫光下具弱至強的紅色熒光，短波紫外線下微弱至中等的紅色熒光；藍色藍寶石一般無熒光；斯里蘭卡的一些黃色藍寶石可具杏黃-橙黃色熒光。

吸收光譜 紅寶石為典型的鉻光譜；藍色藍寶石為典型的鐵光譜。

2.力學性質

解理和斷口 剛玉解理差，但由於葉片狀雙晶的原因，常發育有平行底面和菱面體面的裂開。斷口呈貝殼狀。

硬度 9，在天然材料中僅次於鑽石。不同產地的紅寶石和藍寶石，硬度稍有不同。

韌度 極好，藍寶石一般要好於紅寶石。

密度 3.9～4.1g/cm³，平均為4.0g/cm³，具體視純凈度而變。

（四）包裹體

剛玉類寶石內部含有十分豐富的包裹體（圖6-5），不同產地的寶石具有不同的包裹體特徵。緬甸的剛玉類寶石，特別是紅寶石，常含有三個方向排列的短金紅石針，針狀內含物常發育不完整而呈現出「絲光」光澤。緬甸紅寶石富麗鮮明的紅色往往呈漩渦狀，頗似糖漿攪拌時的效果，稱為「糖漿」狀包裹體。斯里蘭卡的紅、藍寶石常含粗而長的金紅石針狀包裹體和具應力暈圈的鋯石包裹體，以及六邊形色帶等。克什米爾藍寶石含有極細的紗狀羽狀體和液態內含物包裹體，並造成這種藍寶石具有特徵的輕淡乳白色。泰國紅、藍寶石常含網脈狀的羽狀體，中心為黑色晶體，往往含有管狀液態內含物及交切雙晶面等包裹體。

圖6-5 紅寶石和藍寶石中的包裹體

二、鑒定

紅寶石和藍寶石的鑒定是較為復雜、較為困難的問題，不僅大量涉及仿冒品的問題，還有大量的合成品充斥市場。更重要的是，許多紅寶石和藍寶石雖然是天然產出的，但在進入市場前已經過各種技術處理，雖然這些經處理的紅寶石和藍寶石有些在商業上是可以接受的，但與未經處理的天然品相比，其價值相差較大，要求對它們作出正確的鑒別。基於此，紅寶石和藍寶石的鑒別除必須依據常規的儀器測定對其作出初步判斷外，許多情況下還需藉助於大型儀器的分析測試，方能為其正名。從目前的實際情況看，紅寶石和藍寶石的鑒別需要正確解決下列三方面問題：

1）寶石的材料是否是剛玉？

2）若是剛玉，是合成的還是天然的？

3）若是天然的，是否經過優化處理？是用什麼方法進行的優化處理？

（一）材料屬性的鑒別

鑒別方法相對較簡單，只需測定有關物理性質即可作出正確鑒定。

用折射率儀 可測得折射率為1.762～1.770，雙折射率為0.008。

用比重天平 可測得相對密度為3.99～4.05。

用分光鏡 紅寶石是典型的鉻光譜，藍寶石是鐵光譜。

放大觀察 不同產地的紅寶石和藍寶石由於其形成的地質條件和環境存在差異，因而具有不同的包裹體。訓練有素的寶石鑒定師，不僅可以憑借這些內含物特徵來鑒別紅寶石和藍寶石的真偽，還能鑒別產地。

二色鏡和偏光鏡 可測其多色性和光性，從而對紅寶石和藍寶石作出鑒別。

（二）紅寶石與相似寶石的鑒別

與紅寶石相似的寶石主要有紅色石榴子石、紅色尖晶石、紅色電氣石、紅柱石、仿造寶石有紅玻璃。

1.與紅色石榴子石的鑒別

除物理性質常數不同，紅寶石與石榴子石的區別主要在於：石榴子石為均質體無多色性，紅寶石二色性明顯。紫外燈下紅寶石有紅色熒光，而石榴子石表現為惰性。石榴子石吸收光譜明顯有別於紅寶石。放大檢查時，石榴子石內相對較潔凈，而紅寶石內氣液包裹體、各種固態包裹體豐富。

2.與紅色尖晶石的鑒別

紅寶石與尖晶石的鑒別主要在於：尖晶石為均質體無多色性，折射率為1.718，明顯低於紅寶石。放大檢查中尖晶石具串珠狀排列的八面體負晶。

3.與紅色電氣石的鑒別

紅寶石與紅色電氣石的主要鑒別在於：電氣石具有比紅寶石更明顯的二色性。電氣石雙折射率較高（0.008～0.020）。刻面寶石在合適方向可見後刻面棱重影。電氣石具有特徵的充滿液體的扁平狀包裹體和不規則的管穴。

4.與紅柱石的鑒別

紅寶石與紅柱石的主要鑒別在於：紅柱石具有肉眼可見的強多色性，其多色性顏色為褐黃綠、褐橙和褐紅三種顏色。短波紫外光下紅柱石具無至中等綠色、黃綠色熒光，而紅寶石具無至中等紅色熒光。紅寶石在紅區有明顯的Cr吸收線，而紅柱石只在藍紫區有吸收線。

5.與紅色玻璃的鑒別

紅玻璃為均質體，無多色性。放大檢查紅玻璃內可見氣泡、旋渦紋等現象。紅玻璃具典型的貝殼狀斷口，由於硬度低，棱線磨損往往比較嚴重。

（三）藍寶石與相似寶石的鑒別

與藍寶石相似的寶石主要有藍錐礦、堇青石、藍色尖晶石、坦桑石。

1.與藍錐礦的鑒別

藍錐礦雙折射率很大，可達0.047，成品寶石具明顯的後刻面重影。在短波紫外光下藍錐礦可具有亮藍色熒光，而藍寶石則表現為熒光惰性。

2.與堇青石的鑒別

堇青石具有肉眼就可觀察到的強多色性：藍、紫和淺黃。堇青石的密度明顯低於藍寶石，在2.65的重液中堇青石懸浮，而藍寶石下沉。

3.與藍色尖晶石的鑒別

藍色尖晶石為均質體寶石。只能測到一個折射率值（1.718）。

4.與坦桑石的鑒別

坦桑石具有明顯的多色性，可看到三個方向的顏色分別為藍色、紫紅色和綠黃色。與藍寶石相比，具有較低的密度，密度為3.10～3.45g/cm³。具有相對較低的折射率值，為1.691～1.700。

（四）合成紅寶石、藍寶石的鑒別

紅寶石和藍寶石可由多種方法合成。各種方法合成的紅寶石和藍寶石，其物理性質與天然品基本相同，因此，相關物理性質的鑒別意義不大。正確鑒別合成品難度較大，需專業人員藉助各種先進儀器才能做到。以下提供一些線索供鑒定紅寶石和藍寶石時參考。

外觀 合成品大多完美無缺，顏色艷麗，十分均勻，而達到上述程度的天然品一般十分罕見。若是多顆紅寶石和藍寶石放在一起，合成品每顆質量基本相同，天然品很少能達到這樣水平。

用二色鏡觀察 由於絕大多數合成品是用維爾納葉法生產的，用這種方法合成的晶體由於內能的釋放，將使晶體沿長軸方向裂開，合成品大多檯面平行光軸，與天然品正好相反，因而合成品可從檯面方向看到二色性，而天然品一般從檯面難以觀察到二色性。

熒光檢查 對紅寶石來講，合成品的熒光比天然品強。

放大檢查 這是最有鑒別意義的。天然品有各種礦物包裹體存在，合成品一般無天然礦物包裹體。相反合成品也有自己獨特的內部特徵。例如，維爾納葉法合成品具彎麴生長線（圖6-6），其形狀如唱片的旋紋，有氣泡等標志性特徵；熔劑法合成品比較難觀察到典型的內部特徵，但在一些情況下可看到由坩堝上掉落進來的鉑片晶，並具羽狀體和熔劑小滴包裹體（圖6-7）等。

圖6-6 合成紅寶石的弧形生長紋

圖6-7 合成紅寶石中的助熔劑殘余

大型儀器 例如用紅外光譜儀、拉曼光譜儀等，可測試寶石的成分，從而可將天然品與合成品區分開來。需進一步強調的是，要獲得准確的鑒別，最好把各種特徵結合起來進行綜合判斷。

（五）處理品的鑒別

由於天然的優質紅寶石和藍寶石極少，為了滿足市場需要，市場存在將質量較差的紅寶石和藍寶石原料，通過一系列處理，使其提高質量，包括改變顏色、凈度和掩蓋裂隙等。迄今為止，市場已有的方法有如下三種。

1.熱處理和擴散處理

熱處理是在一定的物理化學條件下，對紅寶石和藍寶石實施加熱，使其改變顏色、凈度、星光效應等。目前，熱處理已獲得了市場的認可，銷售時可以不必特別註明。擴散處理是將無色剛玉切磨成琢型寶石後，在其表面添加適當的致色劑後進行加熱，使致色劑擴散到寶石表面一定深度，並使其產生顏色，從而達到改善的目的。熱處理和擴散處理紅寶石和藍寶石的鑒別方法是：

放大觀察 寶石表面在熱處理過程中將產生凹坑，即便重新拋光，某些小面，特別是靠近腰棱的小面仍將殘留有凹坑的痕跡；另外，重新拋光將產生多餘的小面。在寶石內部，若原石有礦物晶體包裹體，加熱將使被熔融過的晶體變成白色，並有渾圓狀的外形，其周圍往往還發育圓盤狀裂隙。

吸收光譜 經過熱處理的藍色藍寶石在450nm處不顯吸收帶。

浸液觀察 擴散處理的藍寶石放在折射率為1.74的浸液中，明顯可看到顏色主要集中於表面，即主要在小面邊棱處。浸液也使上述表面和內部觀察更加清晰。

2.充填處理

紅寶石和藍寶石（特別是紅寶石）的天然品往往存在各種裂紋或裂隙，它們嚴重影響寶石的價值，為了掩蓋其裂隙，可通過對其裂隙進行充填以達到提高凈度的目的。檢測的辦法是用放大觀察可見兩種現象：其一，跨過充填物和剛玉的界線處可見顏色和光澤的差別；其二，還可看到充填物中的氣泡。不過，做此項工作需非常仔細。

3.注油和染色

有損於紅寶石和藍寶石外觀的開口裂隙可用注油的辦法來將其掩蓋。檢測的辦法是在反射光下用放大鏡觀察，可看到裂隙中存在干涉色。另外，用熱針靠近寶石表面，可能從裂隙中吸出油來。有時紅寶石和藍寶石還存在用染色的辦法來改善其顏色的情況。經這種方法處理的寶石可以通過蘸有丙酮的棉簽來檢查，即用棉簽擦洗寶石可使棉簽呈現顏色。除上述常見方法外，還存在其他各種處理方法，如輻射、刻劃、貼箔等，鑒定時需參考其他相關資料，並藉助於有關方法進行鑒別。

三、質量評價

由於天然優質紅寶石和藍寶石產量很少，而且每年以較快的速度衰減，因此，其保值和增值功能高於鑽石。但和鑽石相比，由於研究程度低，因而，紅寶石和藍寶石的質量評價比鑽石要困難得多，迄今為止，國際上尚無統一公認的標准。因此，在紅寶石和藍寶石的質量評價方面，不同評價者基於各自的認識和經歷，會得出不同的結果。但行業上仍有一些普遍認可的評價依據，這些依據主要包括顏色、重量、透明度、凈度、加工質量等方面。

1.顏色

紅寶石和藍寶石的顏色包括色彩、色調和飽和度幾個方面。

色彩 分極好、非常好、好、較好、差五級；

色調 按深淺分很深、深、中等、淺、很淺五級；

飽和度 按鮮艷程度分很高、高、中等、較低、差五級。

就色彩和色調而言，天然產出的紅寶石和藍寶石不可能表現為單一的光譜色，這就會有主色和副色之分，如紅寶石以紅色為主，其間可帶微弱黃、藍紫色；藍色藍寶石以藍色為主，其間可能有微弱的黃色、綠色色調。原則上，紅寶石和藍寶石的顏色越接近理想的光譜色，顏色質量越高，如緬甸鴿血紅紅寶石和克什米爾矢車菊藍寶石就與理想光譜色較接近，因此，它們質量最好。副色所佔比例越大，顏色就越不純，顏色質量就越低。紅寶石最有價值的顏色是均勻的鴿血紅，其次是較淺的紫紅色。在透明紅寶石中，微棕紅色、玫瑰紅色、粉紅色均被認為是不大理想的顏色。不過在星光紅寶石中，這些顏色仍是十分受歡迎的。對藍寶石而言，一般認為理想的顏色是純正均勻的藍色。但對金黃色的藍寶石而言，由於其更加稀少，加之這種藍寶石火彩較強，亮度較大，因而也十分受歡迎。對具有變色效應的藍寶石，由於它可仿冒變石，十分稀少，故也同樣十分受人喜歡。藍色、黃色和變色藍寶是目前市場上最受歡迎的幾種顏色。

2.重量

天然產出的寶石級紅寶石顆粒一般都很小，達到1ct者已不多見，大於5ct的則為罕見之物，因而，寶石越大，每克拉的價格增加的幅度也越大，其克拉溢價遠大於鑽石。從目前來看，紅寶石的克拉溢價台階主要出現在1ct、3ct、5ct和10ct處。迄今為止，世界上發現的最大紅寶石產於緬甸，重3450ct。著名的鴿血紅紅寶石，最大者僅重55ct，最大的星光紅寶石產於斯里蘭卡，重1387ct，這些都是世界著名的珍品。藍寶石的產量比紅寶石要多，幾克拉者常見，幾十克拉者也不稀罕，但大於100ct者仍非常珍貴。世界上發現最大的藍寶石重達19kg，產於斯里蘭卡。一顆被稱為亞洲之星的巨大星光藍寶石，重達330ct，為世界著名珍品。鑲在英國王冠十字架中心的「聖愛德華藍寶石」，也是世界著名珍品。總的來講，天然藍寶石的價格要比天然紅寶石低得多。和紅寶石相比，藍寶石的重量對其價值的影響要小得多，但也有較大影響。重量越大者，每克拉的價格也越高。

3.透明度和凈度

對透明紅寶石和藍寶石而言，評價仍需考慮凈度和透明度。越是純凈、透明的紅寶石和藍寶石，價格越高。完全透明、無暇、無裂紋的紅寶石是很難得的，因為在10倍放大鏡下，紅寶石總有這樣那樣的小缺陷或各種的包裹體，因此，對紅寶石的透明度和凈度要求自然要低些。由於相當純凈透明的藍寶石較易找到，對於藍寶石的評價而言，凈度和透明度的要求也比紅寶石要高得多。真正質量好的藍寶石，一般都要求要純凈、透明。純凈度和透明度不高，其價格將會大受影響。

4.加工質量

評價紅寶石和藍寶石時，另一個值得重視的因素是寶石的加工質量，加工質量的好壞不但影響美觀，而且影響顏色。優質紅寶石和藍寶石要求底部切割適中。若底部太淺，將使中心完全成為「死區」，若底部太深，則會影響透明度，比例會失調，同時影響鑲嵌。出現這些情況，其價格都將大打折扣。星光紅寶石和藍寶石應單獨評價。除了必須具備理想的顏色、均勻的色調、無瑕疵、拋光精細等條件外，更為重要的是星線的亮度、形狀位置、完好程度以及比例關系。星線越亮、形狀越規則越好，星線的交點要求位於半球狀寶石的頂點。偏離頂點，寶石的價格將大受影響。此外，星光寶石要求星線細而平直、完好，如出現缺亮線、斷亮線和亮線彎曲等也都會嚴重影響其價格。寶石的加工比例也是重要的考慮因素，具體來說是考慮腰棱以下的重量。按理想比例，寶石腰棱以下部分佔寶石總重量的1/4較為合適，太重者雖然可增加寶石的重量，但同時也將影響寶石的顏色、星光的亮度和美觀等。一些珠寶商為了獲取更高的利益，會將寶石腰棱以下部分保留過大，這一點務必注意。

四、礦床成因及產地

1.礦床成因

紅寶石和藍寶石的成因類型眾多，原生礦有岩漿岩型、變質型、偉晶岩型等，次生礦有殘坡積型、砂礦型等。

大理岩型 大理岩中的紅寶石是寶石級紅寶石的重要來源。緬甸抹谷、阿富汗哲格達列克、巴基斯坦的罕薩等地均屬於此種類型。關於這種類型紅寶石的成因，由於這種類型礦床的紅寶石產在白雲質大理岩中，附近有酸性岩分布，因此，有認為是接觸交代的矽卡岩型礦床。但有人認為礦體的形成與矽卡岩無關，礦體是區域變質作用形成的。後期的岩漿侵入使周圍大理岩進一步重結晶，並使紅寶石聚集。

玄武岩型 玄武岩型是世界上藍寶石礦床的主要成因類型。我國昌樂、澳大利亞的新南威爾士、柬埔寨的拜林、泰國尖竹汶及寮國、越南等地的藍寶石都與玄武岩有關。

偉晶岩型 這類礦床中的紅寶石和藍寶石礦床成因直接與偉晶岩相關。典型的例子有：坦尚尼亞的翁巴塔爾紅寶石和藍寶石礦床，產在含鈣長石、蛭石的奧長偉晶岩中；著名的克什米爾藍寶石礦床產於花崗偉晶岩與白雲質灰岩的接觸帶上。

矽卡岩型 這種類型的紅寶石和藍寶石礦床產於碳酸鹽岩與中酸性岩漿的接觸帶上，賦存於矽卡岩之中。典型的礦床有斯里蘭卡的藍寶石礦床，這是世界藍寶石的主要產區。礦床產在粗粒白雲質大理岩與正長岩體接觸形成的矽卡岩中。藍寶石晶體完好，透明，呈藍色至天藍綠色。

岩漿型 美國蒙大拿州的約戈谷藍寶石礦床是此類礦床的唯一實例，產於鹼性、基性煌斑岩中。寶石級藍寶石4ct/t，顆粒一般重2ct左右，顏色較均一，但不夠鮮艷。

變質型 主要產於與區域變質作用有關的片岩和片麻岩中。澳大利亞哈茨山紅寶石產在斜長石 角閃石片麻岩中，研究證明，它的原岩是斜長岩雜岩，紅寶石以斑晶產出。我國新疆、美國、斯里蘭卡都已發現有這種紅寶石礦床存在，但質量較差，晶體較小，價值不大。

外生的殘坡積型和沖積砂礦型 這是世界紅寶石和藍寶石的主要來源，分布與原岩有關，是含紅寶石或藍寶石的岩石或原生紅寶石和藍寶石礦床經後期風化作用形成。

2.產地

紅寶石的著名產地有緬甸、阿富汗、巴基斯坦、泰國、柬埔寨、越南、坦尚尼亞、澳大利亞等。而藍寶石的著名產地有克什米爾、斯里蘭卡、中國、印度、泰國、柬埔寨、寮國、澳大利亞、越南、美國等。各地產出的紅寶石和藍寶石也因地質條件不同其質量和內容特徵也各不相同，如緬甸產的紅寶石質量較好，一般顏色艷麗，質量最好的鴿血紅紅寶石就產於緬甸。泰國紅寶石多呈褐紅或玫瑰紅色，色帶和生長線平直，常含流體包裹體，並多聚集成指紋狀、羽狀等。越南紅寶石常呈玫瑰紅色，裂紋較多。克什米爾產的藍寶石呈微帶紫的靛藍色，著名的「矢車菊」藍寶就產於此，其典型的包裹體是混濁的分帶、鋯石晶體等。中國山東產的藍寶石以顆粒大、晶體完整而著稱於世，色帶清楚、顏色深至藍黑也其典型的特徵。

【學習指導】 紅寶石和藍寶石均是世界著名的珍貴寶石，因此，有關知識必須全面系統地學習掌握。本任務有關紅寶石和藍寶石的基本性質（包括結晶學性質、化學成分、物理性質和包裹體特徵等）必須熟記。關於紅寶石和藍寶石的鑒定重點需要掌握下列三個方面的內容：一是材料種屬的鑒別，即寶石是否屬於剛玉；二是在確定寶石材料屬於剛玉的前提下，進一步確定其成因，即是合成的還是天然的；三是在確定是天然材料的前提下，進一步確定是否經過優化處理，以及是用什麼方法進行的處理。對於紅寶石和藍寶石的質量評價，主要掌握影響紅寶石和藍寶石質量的因素，以及各種因素的具體評價方法。除此之外，還需要對紅寶石與藍寶石的主要區別、紅寶石與藍寶石的礦床成因及產地情況等也需要有充分的了解。

【練習與思考】

1.什麼是紅寶石？什麼是藍寶石？兩者主要的區別是什麼？

2.紅寶石和藍寶石原石晶體常見的結晶習性是什麼？

3.簡述紅寶石和藍寶石的化學成分。

4.簡述紅寶石和藍寶石的物理性質。

5.如何鑒別紅寶石與仿製品？

6.如何鑒別藍寶石與仿製品？

7.如何鑒別合成的紅寶石和藍寶石？

8.紅寶石和藍寶石常見的處理方法有哪些？各種方法處理的紅寶石和藍寶石如何鑒別？