蓝宝石晶片机械化学研磨抛光新方法研究

❶ 蓝宝石的晶体化学特征

（一）晶体结构

蓝宝石属于三方晶系，空间群为

，晶胞参数a₀＝0.477nm,c₀=1.304nm,Z=6，在其晶体结构中，O^2-作六方最紧密堆积，堆积层垂直于三次轴，Al³⁺充填了由O^2-形成的八面体空隙数的2/3,（AlO₅）八面体在垂直c轴方向以共棱方式连接成层，O为四次配位，为四个Al所围绕；平行c轴方向，以八面体共面或共角联结，构成两个实心八面体和一个空心八面体相间排列的柱体（图2-1）。（AlO₆）八面体沿c轴方向构成三次螺旋对称轴，由于相邻Al³⁺之间的排列，使（AlO₆）八面体显示三方畸变的特点，部分Al—O键长为0.1856nm，部分为0.1969nm，相邻的O—O键长为0.252～0.287nm，垂直c轴相邻的键长为0.279nm，平行c轴的Al—Al键长为0.265nm，晶体结构在//c和⊥c方向的异向性，导致了蓝宝石对光波吸收的差异，在颜色上表现出明显的异向性（沿c轴方向为蓝色，垂直c轴方向为蓝绿色至绿色）。

（二）化学成分

蓝宝石的化学成分在理论上与刚玉矿物种成分具有一致性，其理论值Al为53.2%,O为46.8%，晶体化学式为Al₂O₃。但由于形成蓝宝石地质环境的复杂性，其化学成分尤其是微量元素的含量具有较大的差异。我们选择一些不同颜色的改色前山东昌乐地区蓝宝石原石进行了电子探针分析，其结果列于表2-3。为了与其它国内产状相类似的蓝宝石对比，表中还列出了海南（石桂华等，1988）、江苏（郑子俪，1988）蓝宝石的成分分析值。

由表2-3可见，昌乐蓝宝石主要成分为Al₂O₃，其质量分数为97.55%～98.88%，所含微量成分主要有SiO₂、TiO₂、TFeO（Fe²⁺O+

）、MnO等，主要以类质同象存在于刚玉的晶格中，从单颗粒不同部位分析结果可见，它们在晶格中分布比较均匀。一般认为，微量元素Fe、Ti、Mn为蓝宝石的主要致色元素（吴瑞华等，1994），故昌乐蓝宝石的主要致色元素为Fe、Ti、Mn，铁的含量最高，而且其含量比Ti、Mn高得多，在致色离子中起主导作用，海南、江苏的蓝宝石具有相同特点。

图2-1刚玉的三个不同方向结构示意图（据Hughes W.Rich,1997）

近几年来人们在卢旺达西南部的桑古谷地区发现了与山东昌乐蓝宝石地质产状十分相似的蓝宝石矿（M.S.Krzemnicki et al.,1996），研究结果表明蓝宝石来源一种延着东非大裂谷在第三纪岩浆扩张阶段溢出的碱性玄武岩的熔岩流。该矿区蓝宝石的电子探针化学成分分析结果（表2-4）与昌乐蓝宝石具相似性。

总体来看，蓝黑色、深蓝色蓝宝石的全铁含量较高，颜色稍浅的全铁含量相对较低，但蓝色深浅与全铁含量之间没有严格的线性关系，这个问题还有待于进一步研究。棕色蓝宝石的全铁含量最高，黄色蓝宝石的全铁含量也较高。Ti与Mn的含量普遍很低，而且不呈规律性。由此可见，铁是昌乐蓝宝石十分重要的致色元素，其含量与颜色之间具有十分密切的关系。

与世界着名产地蓝宝石的Fe、Ti质量分数及m（Fe）/m（Ti）值相比（表2-5）（H.Harder,1969），昌乐蓝宝石的Fe、Ti质量分数及m（Fe）/m（Ti）值与泰国蓝宝石相似，Fe高于Ti几十到几百倍，在宝石市场中其颜色均属同一类型，即深蓝色。而优质的缅甸、斯里兰卡蓝宝石中Fe含量比昌乐、泰国蓝宝石低很多，而且Fe与Ti含量相当，m（Fe）/m（Ti）值接近于1，呈现出优美明亮的浅蓝色、天蓝色、矢车菊蓝等，具有很高的美学及商业价值。因此，要对昌乐蓝宝石进行改色，使其颜色向优质蓝宝石靠近，从根本上来说，是降低铁在晶体中的含量，保留或增加Ti的含量，减小m（Fe）/m（Ti）值，向世界优质蓝宝石m（Fe）/m（Ti）值靠近，这与目前世界宝石界公认的蓝宝石改色理论相一致。

表2-3蓝宝石电子探针成分分析结果（w_B/%）

测试条件：JCXA-733,Link 860Ⅱ；工作电压15kV；电流200mA。标样：刚玉。

测试单位：中国地质大学（北京）电子探针室。

表2-4卢旺达西南部两个蓝宝石的定量分析结果（w_B/%）

n.d.表示低于检测限。

据M.S.Krzemnicki等，1996。

表2-5山东昌乐及世界着名产地蓝宝石Fe、Ti含量表

①通过表1中氧化物质量分数换算成元素的质量分数。

（三）原子吸收光谱分析

为了较精确测得昌乐蓝宝石的致色离子Fe和Ti的含量，笔者进行了原子吸收光谱的测定。由于刚玉硬度仅次于金刚石，且物理化学性质稳定，熔点近2000℃，因此给测试带来一定困难。在制样过程中，首先利用刚玉的脆性将样品砸碎，然后用吸铁石不断将混入的铁屑吸出，再将其在1∶3盐酸中浸泡48小时，最大限度地除去附着的铁屑。然后用蒸馏水冲洗、过滤。在熔矿过程中采用硼砂-碳酸钠熔剂，既可分解完全又较易提取，且降低了熔点。由此可见分析结果除铁可能稍偏高外，数据还是可信的。

为了与探针结果对比，将分析的Fe₂O₃含量转变为FeO含量，从表2-6中可见FeO与TiO₂数值与探针结果一致，并直观地显示出FeO的含量与颜色的深浅关系更为密切，含量越低，颜色越浅，而TiO₂的含量与颜色的关系却很难简单地体现出来。同时还表明1300℃热处理时FeO、TiO₂含量几乎不受影响。

表2-6蓝宝石中Fe、Ti原子吸收分析

（四）成分中的Fe、Ti线、面能谱分析

为了了解Fe和Ti在蓝宝石晶体中的分布情况，首先对Fe和Ti进行了面扫描，结果表明半透明深蓝色蓝宝石中Fe和Ti近于均匀分布。然后对Fe和Ti进行大范围线扫描（扫描线长5.35mm），研究Fe、Ti的成分环带是否与颜色环带相同（图2-2）。由于蓝宝石中Fe、Ti含量相对于仪器测试精度较低，因此误差较大，但仍可反映出总的分布规律：成分环带与颜色环带几乎一致，而Fe和Ti的含量之间有一定的联系，Fe含量高，Ti含量也较高，但这种规律并不绝对。由测试样品生长环带形态可知，在靠晶体外缘一侧，Fe含量明显较高，这可能是由于蓝宝石由碱性玄武岩浆（超镁铁质）携至地表，岩浆中铁含量较高，部分铁向晶体内扩散造成的。

图2-2蓝宝石5.35mm Fe、Ti线扫描及样品素描

❷ 熔体泡生法生长高质量蓝宝石的原理和应用

孙广年于旭东沈才卿

第一作者简介：孙广年，中宝协人工宝石委员会第一、二届委员，第三届副主任委员，浙江省巨化集团晶体材料厂厂长。

一、引言

材料科学是现代文明的三大支柱（能源、信息、材料）之一，是人类文明的物质基础。晶体生长属于材料科学范畴并且是它的发展前沿。业已证明，一些高新科学技术的发展，无一不和晶体材料密切相关；军事工业的发展，例如导弹、无人驾驶飞机、潜艇、人造卫星及宇宙飞船等的窗口材料都需要晶体生长的优质材料，这些材料的好坏决定着技术水平的高低，而且只有在材料方面有所突破，才能希望相关技术有所突破。高质量的无色蓝宝石由于它的特殊优良性能，有着非常广泛的用途，例如蓝宝石单晶具有独特而优良的物理化学性质，特别是在0.2～5.0μm波段有良好的透光性，可广泛用于红外军事装备、卫星和空间技术等领域。由于蓝宝石晶体的电介质绝缘、有恒定的介电常数等特性，使其成为应用最广泛的衬底材料之一。为此，世界各国都在想方设法进行研究和生产。浙江省巨化集团公司晶体材料厂经过多年的努力，用熔体泡生法和熔体提拉法相融合的技术生产出了高质量的无色蓝宝石，已生产出直径达到220mm以上，重28kg以上，不仅可以用于军事工业的窗口材料，也可以用于衬底材料和发光二极管（LED）节能环保行业，具有无限的潜力和发展前景。

二、高质量蓝宝石晶体生长技术简要

蓝宝石是刚玉宝石的一种，除了红色的红宝石以外，其他刚玉宝石都叫蓝宝石。无色蓝宝石是蓝宝石中的一种，化学成分为三氧化二铝（Al₂O₃），三方晶系，抛光表面具亮玻璃光泽至亚金刚光泽，一轴晶负光性，折射率值为1.762～1.770，双折射率为0.008～0.010，摩氏硬度为9，密度约为4.00g/cm³。

蓝宝石的人工合成方法主要有焰熔法、助熔剂法和熔体法，其中熔体法又包括好几种方法。但是，焰熔法和助熔剂法都不能生长出高质量的蓝宝石大晶体，原因是：焰熔法生长的宝石晶体除单个晶体比较小外，晶体还具有大量的镶嵌结构，质量欠佳；助熔剂法生长的宝石晶体也很小，并且包含有助熔剂阳离子，质量也不太好。只有熔体法生长的宝石晶体具有纯度和完整性都高的特点，并且单个晶体大，能成为现代高科技及国防工业急需的高质量宝石晶体。熔体法生长宝石的原理是：将构成宝石成分的原料放在耐高温坩埚中加热熔化，然后在受控条件下，通过降温使熔体出现过冷却，从而使晶体生长出来的方法。由于降温的受控条件不同，因此从熔体中生长出高质量宝石晶体的方法也稍有不同。目前，世界上主要的熔体法高质量蓝宝石晶体生长技术有以下4种：①Czochalski熔体晶体提拉法；②EFG（Edge-defined Film-fed Growth）熔体导模法；③HEM（Heat Exchanger Method）熔体热交换法；④Kyropoulos Method熔体泡生法。以上4种从熔体中生长宝石晶体的方法，其技术特点和优缺点简要介绍如下。

1.熔体晶体提拉法

熔体晶体提拉法（简称熔体提拉法）是利用籽晶从熔体中提拉生长出晶体的方法。该方法能在短期内生长出大而无位错的高质量单晶，是由J.丘克拉斯基（J.Czochalski）在1917年首先发明的，所以又称丘克拉斯基法，简称 Cz提拉法，为熔体中生长晶体最常用的方法之一。其主要技术特点是所有使用提拉法生长晶体的共同基础，简述如下：将宝石组分的原料装在坩埚中，并被加热到原料的熔点以上，此时，坩埚内的原料被熔化成熔体；在坩埚的上方有一根可以旋转和升降的提拉杆，杆的下端带有一个夹头，其上装有籽晶，降低提拉杆，使籽晶插入熔体中，调好温度，使籽晶既不熔掉也不长大，然后缓慢地向上提拉和转动籽晶杆。同时，缓慢地降低加热功率，经过缩颈—扩肩—等径生长—收尾的生长全过程，就能得到所需直径的晶体。整个生长装置安放在一个可以封闭的外套里，以便使生长环境中有所需要的气氛和压强；通过外罩的窗口，可以观察到生长的情况。其生长原理见图1。此方法的主要优点是：①在生长过程中可方便地观察晶体生长的状况；②晶体在熔体表面处生长，不与坩埚相接触，这样能显着减小晶体的应力，并防止坩埚壁的寄生成核；③可以方便地使用定向籽晶和“缩颈”工艺。“缩颈”后的籽晶，其位错可大大减少，这样可使扩肩后生长的晶体，其位错密度降低，得到完整性很高的晶体。此方法的主要缺点是晶体比较小，最多能达到直径2～3英寸

1英寸＝25.4mm。，不能适应现代高科技和国防工业对大尺寸晶体的要求。在生长大尺寸晶体上，其他3种方法都优于Czochalski熔体晶体提拉法。

20世纪70年代，由于激光材料研究的需要，我国开始研制人造钇铝榴石（YAG）和人造钆镓榴石（GGG）晶体的熔体提拉法生长技术，由于军事工业发展的需要和尖端科技研究及应用的需要，熔体提拉法生长宝石晶体技术后来得到了进一步的发展和完善，现在已能够顺利生长出许多有实用价值的宝石晶体（图2,3），如合成无色蓝宝石、合成红宝石、人造钇铝榴石（YAG）、人造钆镓榴石（GGG）、合成变石等。

图1 熔体提拉法晶体生长示意图

图2 熔体提拉法生长的蓝宝石晶体

图3 熔体提拉法生长的激光晶体

2.熔体导模法

熔体导模法是改进型的熔体晶体提拉法，可以控制晶体形状。其主要工艺技术特点是：将一个高熔点的惰性模具放于熔体之中，模具的上表面具有所需形状的“图案”，下部带有细的管道直通模具顶端，熔体由于毛细作用被吸引到模具的上表面，与一个籽晶接触后，熔体随籽晶的提拉而高于模具表面时，能自动拓展到“图案”的边缘，在随后的提拉中生长出模具顶端形状的晶体。它的主要优点是可以按我们的要求生长出多种形状的晶体，Saint-Gon公司用此技术能够生长直径450mm到500mm的蓝宝石光学用晶片，而日本京瓷公司则可以用改良的技术生长LED衬底使用的C面晶片，并拥有该项技术的专利。其原理示意如图4所示。此方法生长晶体的设备和工艺技术难度较大，不易推广。

图4 熔体导模法晶体生长示意图

图5 熔体热交换法生长的350mm蓝宝石晶体

3.熔体热交换法

熔体热交换法的实质是控制温度，让熔体在坩埚内直接凝固结晶。其主要技术特点是：要有一个温度梯度炉，这个温度梯度炉是在真空石墨电阻炉的底部装上一个钨钼制成的热交换器，内有冷却氦气流过。把装有原料的坩埚放在热交换器的顶端，两者中心相互重合，而籽晶置于坩埚底部的中心处，当坩埚内的原料被加热熔化以后，氦气流经热交换器进行冷却，使籽晶不被熔化。随后，加大氦气的流量，带走更多的熔体热量，使籽晶逐渐长大，最后使 整个坩埚内的熔体全部凝固。此方法的主要优点是：晶体生长时，坩埚、晶体、加热区都不动，消除了由于机械运动而造成晶体的缺陷；同时，可以控制冷却速率，减少晶体的热应力及由此产生的晶体开裂和位错等缺陷，是生长优质大晶体的好方法。但这个方法的设备条件高，整个工艺复杂，运行成本高，因此并没有被广泛应用。该工艺为Crystal System公司专利技术，主要为美国军方提供整流罩，目前已经生长出直径350mm的蓝宝石晶体（图5）。

4.熔体泡生法

熔体泡生法是1926年由Kyropouls发明的，经过几十年来科研工作者的不断改进和完善，目前是解决熔体晶体提拉法不能拉大直径晶体的方法之一。其生长晶体原理示意如图6所示，其主要技术特点是：将待生长的晶体原料放在耐高温的坩埚中加热熔化，然后调整炉内温度场，使熔体上部处于稍高于熔点状态；籽晶杆上安放一颗籽晶，让籽晶接触熔融液面，待籽晶表面稍熔后，降低表面温度至熔点，提拉并转动籽晶杆，使熔体顶部处于过冷状态而结晶于籽晶上，在不断提拉的过程中，生长出圆柱状晶体。晶体在生长过程中或生长结束时不与坩埚接触，这就大大减少了晶体的应力，可以获得高质量的大直径晶体。它与熔体晶体提拉法不同之处在于扩肩时晶体直径比较大，几乎与坩埚直径相同（比较图1和图6），加上晶体不与坩埚接触，这些就是熔体泡生法的工艺特点和难点所在。浙江巨化集团公司晶体材料厂通过将熔体泡生法与熔体提拉法技术相融合，开发了这种高质量的蓝宝石生长技术，并以生长无色优质蓝宝石晶体为主要产品，有人也把此方法称为“熔体泡生提拉法”。目前已能生长出直径220mm以上，重28kg以上的高质量无色蓝宝石晶体，产品见图6。

图6 熔体泡生法生长晶体的原理示意图及其产品

三、熔体泡生法生长高质量无色蓝宝石晶体的工艺

1）将纯净的α－Al₂O₃原料装入坩埚中。坩埚上方装有可旋转和升降的提拉杆。杆的下端有一个籽晶夹具，其上装有一粒定向的无色蓝宝石籽晶（注：生长无色蓝宝石时不加致色剂，籽晶也要用无色蓝宝石，无色蓝宝石晶体比有色蓝宝石晶体用处更大）。

2）将坩埚加热到 2050℃以上，降低提拉杆，使籽晶插入熔体中。

3）控制熔体的温度，使液面温度略高于熔点，熔去少量籽晶以保证能在籽晶的清洁表面上开始生长。

4）在实现籽晶与熔体充分沾润后，使液面温度处于熔点，缓慢向上提拉和转动籽晶杆。控制好拉速和转速，籽晶就逐渐长大。

5）小心地调节加热功率，使液面温度等于熔点，实现宝石晶体的缩颈—扩肩—等径生长—收尾的生长全过程。

整个生长装置安放在一个外罩里，以便抽真空后充入惰性气体，使生长环境中保持所需要的气体和压强。通过外罩上的窗口可观察晶体生长情况，以便随时调节温度，使晶体生长过程正常进行，用这种方法可以生长出大直径高质量的无色蓝宝石晶体。

四、熔体泡生法生长优质蓝宝石的技术要点

蓝宝石属三方晶系，晶体结构存在着两个主要的滑移体系（底面滑移系和柱面滑移系），因此在采用提拉法生长蓝宝石单晶工艺中，温场的温度梯度和晶体生长方向的合理选择将对蓝宝石单晶的质量产生关键的影响。

1.建立合理的温度梯度是生长优质晶体的首要条件

热系统是温度梯度的决定因素，是生长优质晶体的基本条件。当晶体恒温生长时，根据界面稳定条件：

中国人工宝石

而

中国人工宝石

所以有

中国人工宝石

因此界面保持稳定的最大生长速率为

中国人工宝石

式中：

和

分别为界面附近熔体和晶体中的温度梯度；K₁和K_s分别为熔体和晶体的热导率；L为结晶潜热；ρ为晶体密度。

从式（3）中可以看出，晶体的最大生长速率取决于晶体中温度梯度的大小，要提高晶体的生长速率，必须加大温度梯度。但是，晶体中温度梯度过大，将会增加晶体的热应力，引起位错密度增加，甚至导致晶体开裂。

因此，根据无色蓝宝石单晶的热导率等性质，建立合理的温度梯度是生长完整单晶的前提。

2.晶体的生长方向选择很重要

无色蓝宝石属于三方晶系，存在有两个主要的滑移系：（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发生，因此晶体生长界面与（0001）面交角大时，由于底面滑移，易于产生大量晶界；当滑移比较严重时，则可能产生滑移带，形成孪晶；相反，则不易产生滑移，晶界不易生成。

沿0°取向即（0001）生长时，晶体外形的对称截面虽易呈六角形，但是缺陷会优先在光轴方向增殖，容易形成镶嵌结构，破坏晶体结构的完整性。

由此可见，选择合适的晶体生长方向是必要的，我们根据多次试验找到了生长优质无色蓝宝石的晶体生长方向。我们认为，根据所建立的温度梯度，选择合适的晶体生长方向是生长高质量无色蓝宝石单晶的关键。

五、熔体泡生法生长优质无色蓝宝石的应用

熔体泡生法生长的优质蓝宝石通常应用于国防工业、军工科技和尖端科学技术研究领域，其边角料或不合格原料可以用于珠宝首饰行业。熔体泡生法生长的优质蓝宝石之所以在国防工业、军工科技和尖端科学技术研究领域中有广泛的应用，是由无色蓝宝石晶体本身的优良性能决定的。无色蓝宝石单晶的部分性能参数见表1。

表1 无色蓝宝石单晶部分性能

1.优质无色蓝宝石晶体在基底中的应用

优质无色蓝宝石晶体由于其卓越的性能，在一些基底应用中成为首选材料。主要表现在以下几个领域内：

1）蓝光 LED发光二极管基底材料（BLED’s）——在无色蓝宝石基底上生长Ⅲ—V族和Ⅱ—Ⅵ族化合物；

2）红外探测器——无色蓝宝石晶体可以作为生长碲镉汞晶体（HgCdTe）的基底；

3）砷化镓晶片（GaAs）的基底；

4）微波集成电路材料。

一方面在微电子集成电路应用方面，R面—

晶面的无色蓝宝石衬底是异质外延硅的首选材料：由于无色蓝宝石单晶具有高且稳定的介电常数，使其特别适合作微波和高速集成电路以及压力传感的异质衬底。另一方面，在无色蓝宝石单晶上可以外延铊等混合超导化合物，制作高电阻器件，也可以用来生长GaAs或者用它做其他一些材料的载片。

另外，A面—

晶面无色蓝宝石单晶衬底：由于无色蓝宝石单晶具有稳定的介电常数和高绝缘性，可用作高温超导材料的载体。

再有，C面—｛0001｝晶面的无色蓝宝石单晶衬底有单面或者双面抛光的，被广泛应用于外延生长Ⅲ—V和Ⅱ—Ⅵ族化合物，如蓝光 LED用的GaN衬底（白光 LED是在蓝光 LED的基础上，经过荧光粉效应而产生的）。其次，也被用于制作红外探测用的汞镉锑化合物器件的载体。

2.优质无色蓝宝石在发光二极管（LED）领域中的应用

LED的应用领域非常广，包括通讯、消费性电子、汽车、照明、信号灯等。我们可大体把它们区分为背光源、照明、电子设备、显示屏、汽车等五大领域。在地球资源日渐衰竭的今日，环保和节能是当今各产业发展的重心，尤其是需要消耗大量电力的照明产业，在光源的研发上，更趋向于环保和节能。发光二极管（LED）的出现，是对人类照明世界的一次革命，对人类的未来有着重大影响与改变。LED除了耗能低、寿命长之外，还有以下优点：

1）应用非常灵活：可以做成点、线、面各种形状的轻、薄、短小产品；

2）环保效益佳：由于光谱中没有紫外线和红外线，也没有热量和辐射，属于典型的绿色照明光源，而且废弃物可回收，无污染；

3）控制极为方便：只要调整电流，就可以随意调光，不同光色的组合变化多端，利用时序控制电路，更能达到丰富多彩的动态变化效果。

LED不仅可用于大型广告显示屏，还可以用于建筑和交通照明。白光 LED的出现，是 LED从标识功能向照明功能跨出的实质性一步。白光LED最接近日光，能较好地反映照射物体的真实颜色，所以，从技术角度看，白光 LED无疑是LED最尖端的技术。

白光LED的市场应用将非常广泛，也是白炽钨丝灯泡及荧光灯的“杀手”。目前，白色LED已开始进入一些实际应用领域，如应急灯、手电筒、闪光灯等产品已相继问世。

据美国能源部预测，2010年前后，美国约有55%的白炽灯和荧光灯将被白光 LED替代，每年节电价值可达350亿美元，可形成一个500亿美元的大产业。日本提出，白光 LED将在2008年左右大规模替代传统白炽灯。为了抢占未来市场的制高点，通用电气、飞利浦、奥斯拉姆等世界三大照明工业巨头纷纷行动，与半导体公司合作成立 LED照明企业，目标是在 2010年前把LED发光效率再提高8倍，价格降低99%，前景多么诱人！

3.优质无色蓝宝石在GaN外延衬底材料中的应用

优质无色蓝宝石晶体是目前唯一商用的GaN外延衬底材料，而半导体发光技术的新成就，为优质无色蓝宝石晶体的应用开创了新的前景。通过在无色蓝宝石晶体基片上外延GaN，可以制作蓝光发光二极管（LED）。

目前LED的重要用途和前景正逐渐被人们所认识，随着 LED产业化的飞速发展，大尺寸、高品质的蓝宝石晶体将成为市场的新宠。

六、结语

我们用熔体泡生法与熔体提拉法相融合的技术生长出了优质的大直径无色蓝宝石。为了获得高质量的无色蓝宝石单晶，在晶体生长过程中，从晶体本身的特性出发，建立了合理选择温度梯度和晶体生长方向相融合的生长工艺。熔体泡生法生长的高质量无色蓝宝石单晶的应用领域非常广泛，可以应用于国防工业、军工科技和尖端科学技术研究领域，尤其是在衬底领域和发光二极管（LED）方面的应用，表现出优异的发展前景。

参考文献

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❸ 蓝宝石抛光用什么材料

在蓝宝石的抛光工艺中, 常用的磨料主要包括金刚石、二氧化硅溶胶、氧化铈和氧化铝等磨料。
实验数据表明，a-氧化铝抛光粉（VK-L30F，0.3um,球型）在蓝宝石抛光过程中的优势明显，效果最好。
其一：抛光粉硬度比较：
1） 金刚石只用于传统的机械抛光，其硬度（莫氏10）比蓝宝石(莫氏
9)硬度高，容易产生划伤，蓝宝石表面损伤度高，良率低。
2）氧化铝（VK-L30F）的硬度与蓝宝石相当，颗粒球型，抛光速率高，不易起划伤，良率高，是比较理想的抛光材料。
3）SiO2硬度（莫氏硬度7.5）比蓝宝石低，抛光速率比氧化铝抛光粉慢很多，抛光比较耗时。
其二：抛光效果比较：

在抛光C-平面蓝宝石衬底时，a-氧化铝抛光粉（VK-L30F，0.3um）制成的研磨液的抛光性能（去除速率和表面质量等）优于其他磨料，
具体表现如下：
1）形成的水化层增加，抛光过程中，在蓝宝石基底上持续形成水化层，它比基底层软，该层的形成有利于材料的去除，并产生高质量表面。
2）表面质量改善，a-氧化铝与基底蓝宝石的硬度一样，因此，磨料划伤蓝宝石的可能性很小。
3）去除速率增加，a-氧化铝磨料经历了与基底蓝宝石一样的表面水化，在基底宝石与磨料水化层之间的化学机械作用加速了材料去除，当磨料和基底蓝宝石的表面在抛光压力下靠在一起并剪切时，就相互粘附，进一步的剪切就会使粒子撕开键合的水化层，通过粒子的前边沿促进材料去除。表面粗糙度能小于0.2nm.
4）氧化铝抛光液在循环过程中稳定性更好，二氧化硅抛光液在使用过程中温度必须严格控制，以防止结块，但氧化铝研磨液就比较稳定，也显示了很好的洁净度。
实验1：采用氧化铝抛光粉对蓝宝石衬底进行抛光，抛光液的pH为10时抛光效果最好，表面粗糙度RMS可达0.2nm。抛光压力在0. 12Mpa 至0. 15Mpa ，抛光液浓度为10%时较佳。浓度越高，抛光速率越快。
目前很多领先的蓝宝石加工厂正在评估并使用基于氧化铝研磨液用于更大直径晶圆抛光。

参考资料：
http://www.bmlink.com/jingruiy/news/438833.html

❹ 用于大规模集成电路化学机械抛光的新材料制备及应用

杨华明 宋晓岚 邱冠周

（中南大学无机材料系，湖南长沙 410083）

本项目是科技部国际合作重点项目。

一、内容简介

（一）目的与意义

世界半导体产业进入大尺寸晶圆时代后，要求IC元件有最优的表面平整度，以满足微米及亚微米集成电路的制造工艺。化学机械抛光（CMP）是目前全局平坦化中最好的技术，也是解决多层绝缘介质层和多层金属布线全程平坦化的唯一有效的办法，加工工艺简单、成本低。

CMPA光液和微米级磨料全球仅有少数供货商，国内半导体厂之需求皆仰赖进口，相对于国外进口的CMPA光液产品，国产的CMPA光液产品除新鲜外，还有价格适宜、送货迅速、配套服务与专业的技术支持及时等优点。

（二）关键技术

1.锆英砂-Al₂O₃体系的高温熔盐相平衡规律及颗粒分级技术的研究

锆英砂-Al₂O₃体系的高温熔盐相平衡的测定，利用XRD技术研究平衡物种的组成，确定形成高性能的ZrSiO₄-α-Al₂O₃磨料的条件；研究超细粉碎与控制分级技术，确定得到粒度分布均匀、分散性良好且具有一定规律棱角的研磨料的工艺条件；开发出一种天然资源的高价值利用的途径，利用天然的锆英砂生产高附加值的电子器件研磨料。

2.复合纳米颗粒的制备与稳定分散技术

研究内容包括：通过纳米SiO₂-Al₂O₃、SiO₂-CeO₂、Al₂O₃-CeO₂的控制生长基础研究，确定球状纳米复合颗粒的形成条件，以及Na^＋的脱除工艺条件；研究纳米复合粉体的表面化学性质和溶液化学性质；研究复合颗粒体系的悬浮液在不同离子强度、pH值及溶液性质条件下的颗粒表面电荷变化规律；研究浆料体系的动力性质、电学性质以及浆料聚沉作用机理和聚沉动力学，确定抛光液的稳定化工艺条件。在SiO₂系、SiO₂-Al₂O₃系、SiO₂-CeO₂系纳米粗抛和精抛液理论的基础上，开发具有国际先进水平的多种用途的CMP抛光浆料产品。

3.分子模拟技术研究抛光液的配方

以计算化学为基础，利用cerius2.0和gaussian 98等软件在SGI工作站上进行模拟抛光液中各组分和硅晶圆表面的相互作用，指导抛光液配方的设计。

二、推广应用

在国内外首次由天然锆英砂制备微米级研磨料及纳米颗粒的均一稳定化技术，其技术关键为均一的ZrSiO₄-α-Al₂O₃相形成及合适的破碎分级技术和纳米颗粒的制备及均一稳定化技术和工艺。在高温熔盐相图方面，成功地采用神经网络技术预测多元熔盐体系的相图，并在KBr-MnSO₄-CsCl体系中得到应用；在细粒分级技术研究方面，能在实验室得到平均粒径为7.21μm且粒径分布集中的ZrSiO₄-α-Al₂O₃颗粒，说明以锆英砂为原料完全可以制备高档次的研磨料，但是该产品的核心技术还在于相图的控制以得到组分均匀的产品。其思路是先通过实验得到二元相图，然后通过神经网络技术模拟锆英砂中的主要杂质Fe₂O₃、MgO、CaO、TiO₂的影响及熔化类型进行预测，确定平衡固相物种及组成，从而达到分离杂质得到均一的ZrSiO₄-α-Al₂O₃产品的目的。

三、鉴定、获奖、专利情况

本项目已申请国家发明专利4项，相关产品已在国内一些单位进行了试用，效果较为理想，在半导体领域具有重大的推广价值。

❺ 机械化学抛光的原理是什么所能达到的粗糙度是多少

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化学机械研磨技术综合了化学研磨和机械研磨的优势。单纯的化学研磨，表面精度较高，损伤低，完整性好，不容易出现表面/亚表面损伤，但是研磨速率较慢，材料去除效率较低，不能修正表面型面精度，研磨一致性比较差；单纯的机械研磨，研磨一致性好，表面平整度高，研磨效率高，但是容易出现表面层/亚表面层损伤，表面粗糙度值比较低。化学机械研磨吸收了两者各自的优点，可以在保证材料去除效率的同时，获得较完美的表面，得到的平整度比单纯使用这两种研磨要高出1-2个数量级，并且可以实现纳米级到原子级的表面粗糙度。

但是精度越高，一般所用时间就越长，机械越精密。成本越高。
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❻ 魏昕的科研项目

魏昕, 国家自然科学基金,No.51175092,2012.1-2015.12,60万元, 超薄不锈钢基板超精密化学机械抛光方法和机理研究, 2011.08 - null.null
康仁科，魏昕, 国家自然科学基金重点项目（NSFC-广东联合基金），No. U0734008，2008.1-2011.12，150万元, 硅片与光电晶体基片的高效低损伤超精密磨削技术研究, 2011.01 - null.null
魏昕, 国家自然科学基金,No.50675038, 2007.1-2009.12,27万元, 短波长激光超精密冷抛光蓝宝石晶片的新方法及其机理研究, 2006.08 - null.null
魏昕, 教育部博士点基金项目，No.2010A4420110002，2011.1-2013.12,6万元, 基于抛光垫表面微楔形槽流体动压效应的超薄不锈钢基板超精密化学机械抛光技术研究, 2011.02 - null.null
魏昕, 广东省重大专项，No.2009A080202006，2009.1-2010.12，300万元, 智能型高速节能PET瓶关键技术研究及产业化, 2008.09 - null.null
魏昕, 广东省科技计划项目，No.2010A040203002，2010.9-2012.8，20万元, 面向企业设计创新的工业设计服务平台, 2009.08 - null.null
魏昕, 省部产学研结合专项资金项目，No. 2006D90304002，2007.1-2008.10，40万元, 大型柴油机的节油长寿激光处理技术, 2006.08 - null.null
魏昕，等, 广东省科技计划项目，No.2007A070600010，2007.9-2008.2，5万元, 广东重点产业引进技术消化吸收再创新的模式研究, 2007.01 - null.null
魏昕, 广东省科技计划项目，NO. 2005B10201019, 2005.9-2007.8,10万元, 大直径硅晶圆高效低损耗新型线切割技术研究, 2005.08 - null.null
魏昕, 广东省科技计划项目，NO.2004B10201018，2004.9- 2006.8，8万元, 蓝宝石晶片短波长激光超精密冷抛光新方法及其关键技术研究, 2004.08 - null.null
魏昕, 广东省科技计划项目，NO. 2002C1020201，2003.1- 2004.12，18万元, 新型光电子单晶材料超光滑表面加工产业化关键技术, 2002.08 - null.null
谢小柱，魏昕, 广东省自然科学基金项目， 2010.10-2012.10 ，5万元, 基于流体动压效应超薄不锈钢基板化学机械抛光技术研究, 2010.08 - null.null
魏昕, 广东省自然科学基金项目，2008.10-2010.10，5万元, 基于力控制进给的硅片高效低损伤超精密磨削技术研究, 2007.08 - null.null
魏昕, 广东省自然科学基金项目，NO.5001807, 2006.1-2007.12,6万元, 新型线切割硅晶片的过程及机理研究, 2005.08 - null.null
魏昕, 广东省自然科学基金NO.990142, 2000.1-2002.12,8万元, 新型金刚石锯片高速干切削混凝土制品研究, 1999.08 - null.null
魏昕, 广州市科技计划项目，NO. 2005J1－C0081, 2005.9-2007.8,12万元, 蓝宝石晶片激光冷抛光方法及其关键技术研究, 2005.06 - null.null
魏昕, 教育部回国人员科研启动基金，教外司〔2003〕14号，2003.1-2005.12，2万元, 新型光电子元件基片高效精密抛光技术研究, 2002.09 - null.null
魏昕, 番禺区科技计划项目，NO. 2009－z－09－1, 2009.1-2010.12,30万元, 高架桥式龙门五面加工中心研究开发, 2008.05 - null.null

❼ 任务红宝石和蓝宝石

红宝石（ruby）和蓝宝石（sapphire）都属于刚玉（corunm）族的宝石。由于形成条件不同，刚玉中可含有不同的微量元素，因而呈现出不同的颜色，其中呈红色者为红宝石，呈其他颜色者统称为蓝宝石。红宝石和蓝宝石都是人们十分珍爱的高档宝石，红宝石鲜红似火，蓝色蓝宝石清澈透蓝，它们与钻石、祖母绿和猫眼石同被列为世界五大名贵宝石。

一、基本性质

（一）结晶学性质

晶系 三方晶系。

结晶习性 晶体常为六边形桶状或柱状，有时呈板状或双锥状，具双晶 （图6-4）。

双晶 刚玉的双晶有两种： 一是在晶体生长过程中形成的生长双晶；二是在机械作用下面网滑动形成的机械双晶。刚玉的生长双晶只在特定的产地可见，例如斯里兰卡和克什米尔，而绝大多数刚玉宝石的双晶是由于面网滑动、晶格变形造成的简单接触双晶或聚片双晶。刚玉宝石的聚片双晶通常平行 ｛1011｝，少数情况下平行 ｛0001｝。

表面特征 在锥和柱面上常有横的条纹，加上特征的三角生长标志，为红宝石和蓝宝石的原石晶体鉴定提供了良好的识别标志。

（二）化学成分

主要化学成分 铝的氧化物，化学分子式为Al ₂ O ₃。

图6-4 刚玉的晶体及双晶

微量组分 当刚玉不含杂质元素时，为无色；当含其他杂质元素时则呈现各种不同的颜色，并构成不同的宝石品种。如含Cr₂ O₃ 0.01%～0.05%者为浅红；含Cr₂ O₃ 0.1%～0.2%为桃红；含Cr₂ O₃ 2%～3%为深红色；含Cr₂ O₃ 0.2%～0.5% ＋NiO 0.5%为橙红色；含TiO₂ 0.5% ＋Fe₂ O₃ 1.5% ＋Cr₂ O₃ 0.1%为紫色；含TiO₂ 0.5% ＋Fe₂ O₃ 1.5%为蓝色；含NiO 0.5% ＋Cr₂ O₃ 0.01%～0.05%为金黄色；含CoO 1.0% ＋V₂ O₃ 0.12% ＋NiO 0.3%为绿色；含V₂ O₅ 在日光灯下为蓝紫色，在钨丝白炽灯下红紫色，即具变色效应。

（三）物理性质

1.光学性质

颜色 变化大，并决定宝石的品种。红宝石即红色的刚玉宝石，它包括了红色、橙红色、紫红色、褐红色的刚玉宝石。蓝宝石即除去红宝石以外的其他颜色的刚玉宝石，它包括蓝色、蓝绿色、绿色、黄色、橙色、粉色、紫色、灰色、黑色、无色等多种颜色。根据GB/T16552—2003《珠宝玉石名称》标准，上述刚玉宝石均直接定名为蓝宝石。

光泽 亮玻璃光泽。

透明度 透明 不透明。

折射率 1.76～1.78。

双折射率 0.008。

色散 低，为0.018。

多色性 中等到强，具体取决于品种。

光学效应 最重要的是星光效应，极少见猫眼效应，也有似变石的变色效应。

发光性 红宝石在长波紫光下具弱至强的红色荧光，短波紫外线下微弱至中等的红色荧光；蓝色蓝宝石一般无荧光；斯里兰卡的一些黄色蓝宝石可具杏黄-橙黄色荧光。

吸收光谱 红宝石为典型的铬光谱；蓝色蓝宝石为典型的铁光谱。

2.力学性质

解理和断口 刚玉解理差，但由于叶片状双晶的原因，常发育有平行底面和菱面体面的裂开。断口呈贝壳状。

硬度 9，在天然材料中仅次于钻石。不同产地的红宝石和蓝宝石，硬度稍有不同。

韧度 极好，蓝宝石一般要好于红宝石。

密度 3.9～4.1g/cm³，平均为4.0g/cm³，具体视纯净度而变。

（四）包裹体

刚玉类宝石内部含有十分丰富的包裹体（图6-5），不同产地的宝石具有不同的包裹体特征。缅甸的刚玉类宝石，特别是红宝石，常含有三个方向排列的短金红石针，针状内含物常发育不完整而呈现出“丝光”光泽。缅甸红宝石富丽鲜明的红色往往呈漩涡状，颇似糖浆搅拌时的效果，称为“糖浆”状包裹体。斯里兰卡的红、蓝宝石常含粗而长的金红石针状包裹体和具应力晕圈的锆石包裹体，以及六边形色带等。克什米尔蓝宝石含有极细的纱状羽状体和液态内含物包裹体，并造成这种蓝宝石具有特征的轻淡乳白色。泰国红、蓝宝石常含网脉状的羽状体，中心为黑色晶体，往往含有管状液态内含物及交切双晶面等包裹体。

图6-5 红宝石和蓝宝石中的包裹体

二、鉴定

红宝石和蓝宝石的鉴定是较为复杂、较为困难的问题，不仅大量涉及仿冒品的问题，还有大量的合成品充斥市场。更重要的是，许多红宝石和蓝宝石虽然是天然产出的，但在进入市场前已经过各种技术处理，虽然这些经处理的红宝石和蓝宝石有些在商业上是可以接受的，但与未经处理的天然品相比，其价值相差较大，要求对它们作出正确的鉴别。基于此，红宝石和蓝宝石的鉴别除必须依据常规的仪器测定对其作出初步判断外，许多情况下还需借助于大型仪器的分析测试，方能为其正名。从目前的实际情况看，红宝石和蓝宝石的鉴别需要正确解决下列三方面问题：

1）宝石的材料是否是刚玉？

2）若是刚玉，是合成的还是天然的？

3）若是天然的，是否经过优化处理？是用什么方法进行的优化处理？

（一）材料属性的鉴别

鉴别方法相对较简单，只需测定有关物理性质即可作出正确鉴定。

用折射率仪 可测得折射率为1.762～1.770，双折射率为0.008。

用比重天平 可测得相对密度为3.99～4.05。

用分光镜 红宝石是典型的铬光谱，蓝宝石是铁光谱。

放大观察 不同产地的红宝石和蓝宝石由于其形成的地质条件和环境存在差异，因而具有不同的包裹体。训练有素的宝石鉴定师，不仅可以凭借这些内含物特征来鉴别红宝石和蓝宝石的真伪，还能鉴别产地。

二色镜和偏光镜 可测其多色性和光性，从而对红宝石和蓝宝石作出鉴别。

（二）红宝石与相似宝石的鉴别

与红宝石相似的宝石主要有红色石榴子石、红色尖晶石、红色电气石、红柱石、仿造宝石有红玻璃。

1.与红色石榴子石的鉴别

除物理性质常数不同，红宝石与石榴子石的区别主要在于：石榴子石为均质体无多色性，红宝石二色性明显。紫外灯下红宝石有红色荧光，而石榴子石表现为惰性。石榴子石吸收光谱明显有别于红宝石。放大检查时，石榴子石内相对较洁净，而红宝石内气液包裹体、各种固态包裹体丰富。

2.与红色尖晶石的鉴别

红宝石与尖晶石的鉴别主要在于：尖晶石为均质体无多色性，折射率为1.718，明显低于红宝石。放大检查中尖晶石具串珠状排列的八面体负晶。

3.与红色电气石的鉴别

红宝石与红色电气石的主要鉴别在于：电气石具有比红宝石更明显的二色性。电气石双折射率较高（0.008～0.020）。刻面宝石在合适方向可见后刻面棱重影。电气石具有特征的充满液体的扁平状包裹体和不规则的管穴。

4.与红柱石的鉴别

红宝石与红柱石的主要鉴别在于：红柱石具有肉眼可见的强多色性，其多色性颜色为褐黄绿、褐橙和褐红三种颜色。短波紫外光下红柱石具无至中等绿色、黄绿色荧光，而红宝石具无至中等红色荧光。红宝石在红区有明显的Cr吸收线，而红柱石只在蓝紫区有吸收线。

5.与红色玻璃的鉴别

红玻璃为均质体，无多色性。放大检查红玻璃内可见气泡、旋涡纹等现象。红玻璃具典型的贝壳状断口，由于硬度低，棱线磨损往往比较严重。

（三）蓝宝石与相似宝石的鉴别

与蓝宝石相似的宝石主要有蓝锥矿、堇青石、蓝色尖晶石、坦桑石。

1.与蓝锥矿的鉴别

蓝锥矿双折射率很大，可达0.047，成品宝石具明显的后刻面重影。在短波紫外光下蓝锥矿可具有亮蓝色荧光，而蓝宝石则表现为荧光惰性。

2.与堇青石的鉴别

堇青石具有肉眼就可观察到的强多色性：蓝、紫和浅黄。堇青石的密度明显低于蓝宝石，在2.65的重液中堇青石悬浮，而蓝宝石下沉。

3.与蓝色尖晶石的鉴别

蓝色尖晶石为均质体宝石。只能测到一个折射率值（1.718）。

4.与坦桑石的鉴别

坦桑石具有明显的多色性，可看到三个方向的颜色分别为蓝色、紫红色和绿黄色。与蓝宝石相比，具有较低的密度，密度为3.10～3.45g/cm³。具有相对较低的折射率值，为1.691～1.700。

（四）合成红宝石、蓝宝石的鉴别

红宝石和蓝宝石可由多种方法合成。各种方法合成的红宝石和蓝宝石，其物理性质与天然品基本相同，因此，相关物理性质的鉴别意义不大。正确鉴别合成品难度较大，需专业人员借助各种先进仪器才能做到。以下提供一些线索供鉴定红宝石和蓝宝石时参考。

外观 合成品大多完美无缺，颜色艳丽，十分均匀，而达到上述程度的天然品一般十分罕见。若是多颗红宝石和蓝宝石放在一起，合成品每颗质量基本相同，天然品很少能达到这样水平。

用二色镜观察 由于绝大多数合成品是用维尔纳叶法生产的，用这种方法合成的晶体由于内能的释放，将使晶体沿长轴方向裂开，合成品大多台面平行光轴，与天然品正好相反，因而合成品可从台面方向看到二色性，而天然品一般从台面难以观察到二色性。

荧光检查 对红宝石来讲，合成品的荧光比天然品强。

放大检查 这是最有鉴别意义的。天然品有各种矿物包裹体存在，合成品一般无天然矿物包裹体。相反合成品也有自己独特的内部特征。例如，维尔纳叶法合成品具弯曲生长线（图6-6），其形状如唱片的旋纹，有气泡等标志性特征；熔剂法合成品比较难观察到典型的内部特征，但在一些情况下可看到由坩埚上掉落进来的铂片晶，并具羽状体和熔剂小滴包裹体（图6-7）等。

图6-6 合成红宝石的弧形生长纹

图6-7 合成红宝石中的助熔剂残余

大型仪器 例如用红外光谱仪、拉曼光谱仪等，可测试宝石的成分，从而可将天然品与合成品区分开来。需进一步强调的是，要获得准确的鉴别，最好把各种特征结合起来进行综合判断。

（五）处理品的鉴别

由于天然的优质红宝石和蓝宝石极少，为了满足市场需要，市场存在将质量较差的红宝石和蓝宝石原料，通过一系列处理，使其提高质量，包括改变颜色、净度和掩盖裂隙等。迄今为止，市场已有的方法有如下三种。

1.热处理和扩散处理

热处理是在一定的物理化学条件下，对红宝石和蓝宝石实施加热，使其改变颜色、净度、星光效应等。目前，热处理已获得了市场的认可，销售时可以不必特别注明。扩散处理是将无色刚玉切磨成琢型宝石后，在其表面添加适当的致色剂后进行加热，使致色剂扩散到宝石表面一定深度，并使其产生颜色，从而达到改善的目的。热处理和扩散处理红宝石和蓝宝石的鉴别方法是：

放大观察 宝石表面在热处理过程中将产生凹坑，即便重新抛光，某些小面，特别是靠近腰棱的小面仍将残留有凹坑的痕迹；另外，重新抛光将产生多余的小面。在宝石内部，若原石有矿物晶体包裹体，加热将使被熔融过的晶体变成白色，并有浑圆状的外形，其周围往往还发育圆盘状裂隙。

吸收光谱 经过热处理的蓝色蓝宝石在450nm处不显吸收带。

浸液观察 扩散处理的蓝宝石放在折射率为1.74的浸液中，明显可看到颜色主要集中于表面，即主要在小面边棱处。浸液也使上述表面和内部观察更加清晰。

2.充填处理

红宝石和蓝宝石（特别是红宝石）的天然品往往存在各种裂纹或裂隙，它们严重影响宝石的价值，为了掩盖其裂隙，可通过对其裂隙进行充填以达到提高净度的目的。检测的办法是用放大观察可见两种现象：其一，跨过充填物和刚玉的界线处可见颜色和光泽的差别；其二，还可看到充填物中的气泡。不过，做此项工作需非常仔细。

3.注油和染色

有损于红宝石和蓝宝石外观的开口裂隙可用注油的办法来将其掩盖。检测的办法是在反射光下用放大镜观察，可看到裂隙中存在干涉色。另外，用热针靠近宝石表面，可能从裂隙中吸出油来。有时红宝石和蓝宝石还存在用染色的办法来改善其颜色的情况。经这种方法处理的宝石可以通过蘸有丙酮的棉签来检查，即用棉签擦洗宝石可使棉签呈现颜色。除上述常见方法外，还存在其他各种处理方法，如辐射、刻划、贴箔等，鉴定时需参考其他相关资料，并借助于有关方法进行鉴别。

三、质量评价

由于天然优质红宝石和蓝宝石产量很少，而且每年以较快的速度衰减，因此，其保值和增值功能高于钻石。但和钻石相比，由于研究程度低，因而，红宝石和蓝宝石的质量评价比钻石要困难得多，迄今为止，国际上尚无统一公认的标准。因此，在红宝石和蓝宝石的质量评价方面，不同评价者基于各自的认识和经历，会得出不同的结果。但行业上仍有一些普遍认可的评价依据，这些依据主要包括颜色、重量、透明度、净度、加工质量等方面。

1.颜色

红宝石和蓝宝石的颜色包括色彩、色调和饱和度几个方面。

色彩 分极好、非常好、好、较好、差五级；

色调 按深浅分很深、深、中等、浅、很浅五级；

饱和度 按鲜艳程度分很高、高、中等、较低、差五级。

就色彩和色调而言，天然产出的红宝石和蓝宝石不可能表现为单一的光谱色，这就会有主色和副色之分，如红宝石以红色为主，其间可带微弱黄、蓝紫色；蓝色蓝宝石以蓝色为主，其间可能有微弱的黄色、绿色色调。原则上，红宝石和蓝宝石的颜色越接近理想的光谱色，颜色质量越高，如缅甸鸽血红红宝石和克什米尔矢车菊蓝宝石就与理想光谱色较接近，因此，它们质量最好。副色所占比例越大，颜色就越不纯，颜色质量就越低。红宝石最有价值的颜色是均匀的鸽血红，其次是较浅的紫红色。在透明红宝石中，微棕红色、玫瑰红色、粉红色均被认为是不大理想的颜色。不过在星光红宝石中，这些颜色仍是十分受欢迎的。对蓝宝石而言，一般认为理想的颜色是纯正均匀的蓝色。但对金黄色的蓝宝石而言，由于其更加稀少，加之这种蓝宝石火彩较强，亮度较大，因而也十分受欢迎。对具有变色效应的蓝宝石，由于它可仿冒变石，十分稀少，故也同样十分受人喜欢。蓝色、黄色和变色蓝宝是目前市场上最受欢迎的几种颜色。

2.重量

天然产出的宝石级红宝石颗粒一般都很小，达到1ct者已不多见，大于5ct的则为罕见之物，因而，宝石越大，每克拉的价格增加的幅度也越大，其克拉溢价远大于钻石。从目前来看，红宝石的克拉溢价台阶主要出现在1ct、3ct、5ct和10ct处。迄今为止，世界上发现的最大红宝石产于缅甸，重3450ct。着名的鸽血红红宝石，最大者仅重55ct，最大的星光红宝石产于斯里兰卡，重1387ct，这些都是世界着名的珍品。蓝宝石的产量比红宝石要多，几克拉者常见，几十克拉者也不稀罕，但大于100ct者仍非常珍贵。世界上发现最大的蓝宝石重达19kg，产于斯里兰卡。一颗被称为亚洲之星的巨大星光蓝宝石，重达330ct，为世界着名珍品。镶在英国王冠十字架中心的“圣爱德华蓝宝石”，也是世界着名珍品。总的来讲，天然蓝宝石的价格要比天然红宝石低得多。和红宝石相比，蓝宝石的重量对其价值的影响要小得多，但也有较大影响。重量越大者，每克拉的价格也越高。

3.透明度和净度

对透明红宝石和蓝宝石而言，评价仍需考虑净度和透明度。越是纯净、透明的红宝石和蓝宝石，价格越高。完全透明、无暇、无裂纹的红宝石是很难得的，因为在10倍放大镜下，红宝石总有这样那样的小缺陷或各种的包裹体，因此，对红宝石的透明度和净度要求自然要低些。由于相当纯净透明的蓝宝石较易找到，对于蓝宝石的评价而言，净度和透明度的要求也比红宝石要高得多。真正质量好的蓝宝石，一般都要求要纯净、透明。纯净度和透明度不高，其价格将会大受影响。

4.加工质量

评价红宝石和蓝宝石时，另一个值得重视的因素是宝石的加工质量，加工质量的好坏不但影响美观，而且影响颜色。优质红宝石和蓝宝石要求底部切割适中。若底部太浅，将使中心完全成为“死区”，若底部太深，则会影响透明度，比例会失调，同时影响镶嵌。出现这些情况，其价格都将大打折扣。星光红宝石和蓝宝石应单独评价。除了必须具备理想的颜色、均匀的色调、无瑕疵、抛光精细等条件外，更为重要的是星线的亮度、形状位置、完好程度以及比例关系。星线越亮、形状越规则越好，星线的交点要求位于半球状宝石的顶点。偏离顶点，宝石的价格将大受影响。此外，星光宝石要求星线细而平直、完好，如出现缺亮线、断亮线和亮线弯曲等也都会严重影响其价格。宝石的加工比例也是重要的考虑因素，具体来说是考虑腰棱以下的重量。按理想比例，宝石腰棱以下部分占宝石总重量的1/4较为合适，太重者虽然可增加宝石的重量，但同时也将影响宝石的颜色、星光的亮度和美观等。一些珠宝商为了获取更高的利益，会将宝石腰棱以下部分保留过大，这一点务必注意。

四、矿床成因及产地

1.矿床成因

红宝石和蓝宝石的成因类型众多，原生矿有岩浆岩型、变质型、伟晶岩型等，次生矿有残坡积型、砂矿型等。

大理岩型 大理岩中的红宝石是宝石级红宝石的重要来源。缅甸抹谷、阿富汗哲格达列克、巴基斯坦的罕萨等地均属于此种类型。关于这种类型红宝石的成因，由于这种类型矿床的红宝石产在白云质大理岩中，附近有酸性岩分布，因此，有认为是接触交代的矽卡岩型矿床。但有人认为矿体的形成与矽卡岩无关，矿体是区域变质作用形成的。后期的岩浆侵入使周围大理岩进一步重结晶，并使红宝石聚集。

玄武岩型 玄武岩型是世界上蓝宝石矿床的主要成因类型。我国昌乐、澳大利亚的新南威尔士、柬埔寨的拜林、泰国尖竹汶及老挝、越南等地的蓝宝石都与玄武岩有关。

伟晶岩型 这类矿床中的红宝石和蓝宝石矿床成因直接与伟晶岩相关。典型的例子有：坦桑尼亚的翁巴塔尔红宝石和蓝宝石矿床，产在含钙长石、蛭石的奥长伟晶岩中；着名的克什米尔蓝宝石矿床产于花岗伟晶岩与白云质灰岩的接触带上。

矽卡岩型 这种类型的红宝石和蓝宝石矿床产于碳酸盐岩与中酸性岩浆的接触带上，赋存于矽卡岩之中。典型的矿床有斯里兰卡的蓝宝石矿床，这是世界蓝宝石的主要产区。矿床产在粗粒白云质大理岩与正长岩体接触形成的矽卡岩中。蓝宝石晶体完好，透明，呈蓝色至天蓝绿色。

岩浆型 美国蒙大拿州的约戈谷蓝宝石矿床是此类矿床的唯一实例，产于碱性、基性煌斑岩中。宝石级蓝宝石4ct/t，颗粒一般重2ct左右，颜色较均一，但不够鲜艳。

变质型 主要产于与区域变质作用有关的片岩和片麻岩中。澳大利亚哈茨山红宝石产在斜长石 角闪石片麻岩中，研究证明，它的原岩是斜长岩杂岩，红宝石以斑晶产出。我国新疆、美国、斯里兰卡都已发现有这种红宝石矿床存在，但质量较差，晶体较小，价值不大。

外生的残坡积型和冲积砂矿型 这是世界红宝石和蓝宝石的主要来源，分布与原岩有关，是含红宝石或蓝宝石的岩石或原生红宝石和蓝宝石矿床经后期风化作用形成。

2.产地

红宝石的着名产地有缅甸、阿富汗、巴基斯坦、泰国、柬埔寨、越南、坦桑尼亚、澳大利亚等。而蓝宝石的着名产地有克什米尔、斯里兰卡、中国、印度、泰国、柬埔寨、老挝、澳大利亚、越南、美国等。各地产出的红宝石和蓝宝石也因地质条件不同其质量和内容特征也各不相同，如缅甸产的红宝石质量较好，一般颜色艳丽，质量最好的鸽血红红宝石就产于缅甸。泰国红宝石多呈褐红或玫瑰红色，色带和生长线平直，常含流体包裹体，并多聚集成指纹状、羽状等。越南红宝石常呈玫瑰红色，裂纹较多。克什米尔产的蓝宝石呈微带紫的靛蓝色，着名的“矢车菊”蓝宝就产于此，其典型的包裹体是混浊的分带、锆石晶体等。中国山东产的蓝宝石以颗粒大、晶体完整而着称于世，色带清楚、颜色深至蓝黑也其典型的特征。

【学习指导】 红宝石和蓝宝石均是世界着名的珍贵宝石，因此，有关知识必须全面系统地学习掌握。本任务有关红宝石和蓝宝石的基本性质（包括结晶学性质、化学成分、物理性质和包裹体特征等）必须熟记。关于红宝石和蓝宝石的鉴定重点需要掌握下列三个方面的内容：一是材料种属的鉴别，即宝石是否属于刚玉；二是在确定宝石材料属于刚玉的前提下，进一步确定其成因，即是合成的还是天然的；三是在确定是天然材料的前提下，进一步确定是否经过优化处理，以及是用什么方法进行的处理。对于红宝石和蓝宝石的质量评价，主要掌握影响红宝石和蓝宝石质量的因素，以及各种因素的具体评价方法。除此之外，还需要对红宝石与蓝宝石的主要区别、红宝石与蓝宝石的矿床成因及产地情况等也需要有充分的了解。

【练习与思考】

1.什么是红宝石？什么是蓝宝石？两者主要的区别是什么？

2.红宝石和蓝宝石原石晶体常见的结晶习性是什么？

3.简述红宝石和蓝宝石的化学成分。

4.简述红宝石和蓝宝石的物理性质。

5.如何鉴别红宝石与仿制品？

6.如何鉴别蓝宝石与仿制品？

7.如何鉴别合成的红宝石和蓝宝石？

8.红宝石和蓝宝石常见的处理方法有哪些？各种方法处理的红宝石和蓝宝石如何鉴别？