Production Technology Analysis Of High Purity Aluminum Oxide for Growing Sapphire Crystals


Presently, main technology of producing high purity aluminum oxide are Crystallization method ,water-soluble method,flame fusion method,Hydrolysis of Aluminum Alkoxide method.


1,Crystallization method include hot decompounding method of Ammonium Aluminum Sulfate and hot decompounding 

method of Ammonium Aluminium carbonic acid.At present,many factories in Shang Dong,Shang Hai,Gui Zhou 

mainly adopt the method.Its disadvantage is that the purity is lower,saying 99.99% in theory ,99.9%

in fact because the impurities such as Fe,Ni,Ti,Zr and halogen can't be removed.Generally,the 

material only can be used to produce optical sapphires,can't satisfy high-end requirement.


2,watersoluble method,also be called Choline method,which is adopted by the biggest producer in China 

such as Shanghai Yiming Materials Tech. Co., Ltd ,Hebei Pengda New Material Technology Co., Ltd.The material only

can be used to produce industrial jewel and Low end sapphire.Its disadvantage are that the technology 

process can't purify again,the quality of the produced alumina is the same as the raw material;Secondly 

in order to speed up reaction between metal Al and purified water,the technology will cut metal alumina 

bark or block into powder with metal knives ,which will take Fe,Ni,Ti,Zr these impurities to the material

by knives,while these impurities will strongly affect the quality of sapphire.In addition,in the process 

of locking block,they usually add adhesive in the material in order to enhance the density of block.

However,these adhesive will degrade the quality of sapphire.Some of these sapphire can't be used on LED 

sapphire substrate,only can be used on optical field.


3,flame fusion method,alumina crystalline granules is produced by the method.The disadvantage of the method

is as follows: First, screen the high purity alumina powder from the roof through vibration screen,the 

screened powder will cool and consolidate on the core crystalline during falling after through oxyhydrogen

flame with high temperature.the crystalline granules is half transparent,

and more Taiwan customers are crazy with it,who think themselves its purity is relatively high and

transparent.But,in fact,the purity is only 99.9% according to test. Second,Hydrogen goes to the furnace 

body through stainless steel tube which will bring some impurities such as Fe,Ni,Cr,Ti and other 

metal impurities along ,which will be a part of sapphire.As melting temperature of alumina is 2050°,

while that of Fe,Ti,CrMg is 2200°and evaporating temperature is over 4000°.And oxyhydrogen flame can only blow 

less light impurities on the surface,having no effect on the inside impurities.


   Third,according to the test report by authoritative experts,170 cubic hydrogen is needed to produce 1KG 

alumina crystalline granules,which will cost RMB150-230.In order to make profits,factories have to use low purity alumina (99.9% or 99.99%)instead of high purity ones.However,the transparent surface of such crystalline granules has cheated 

many people.


4.Hydrolysis of Aluminum Alkoxide method


Fig. 1 shows the manufacturing process of high purity alumina by aluminum alkoxide method.High purity 

Aluminum alkoxide is synthesized from aluminum metal and alcohol,and hydrated alumina is produced by

hydrolysis of alkoxide,and finallyhigh purity alumina is obtained by calcination.

Al+3ROH /Al(OR)3+3/2H2

2Al(OR)3+4H2O /Al2O3·H2O+6ROH

Al2O3·H2O /Al2O3+H2O

Fig. 1  the manufacturing process of high purity alumina by aluminum alkoxide method


   Description of the technology process is as follows:

    1)Firstly, as the reaction of block and alcohol is very fast ,use high purity alumina block 

and isopropyl alcohol or butanol or ethyl hydrate as materials instead of cutting metal alumina 

bark or block into powder with metal knives ,which will avoid ferric 

pollution taken by knives. 

    2)Secondly, to refine or purify, especially by distillation at 230-250℃ from aluminum iso-propoxide can collect middle high purity aluminum iso-propoxide liquid, with getting rid of former and bottom distillation impurities, which is the most important procedure 

to distinct from other methods. The liquid is got by condensing of aluminum iso propoxide steam. The method will leave impurities such as Fe, Ni, Si, and Cu in the bottom of the reactor.

    3)Thirdly, after distillation, to refine or purify further by ceramic membrane(which is made by high purity alumina of 99.999% purity) at 230℃ can remove other impurities like K,Na,Zn.

4)Finally, use the high purity aluminium iso propoxide and high purity water as materials, after

 reaction, purifying by ceramic membraneat 150-160℃ will remove other impurities further. Next wash

 and clean it with water.

    5)Then the powder is calcined under 5N nitrogen protection in the clean room.

6Then the block will repress under 1000 tons press,and isopress.



Japan(Sumitomo),America,Germany,China(Xuan cheng jing rui new material co.,ltd) main adopt the method though

 it is dangerous and high-cost ?The only answer is high purity, which can make sure that the high purity 

alumina will growing sapphire wafer with high quality. Its well known that impurities of 5N high purity alumina for 

growing LED sapphire wafer must be controlled in the range (Fe <6ppm,Si<5ppm,Zr <1ppm,Cu <1ppm,K <1ppm,Na <1ppm).

Actually, the method is well controlledimpurity content .Presently, Sumitomo,in Japan, produces the largest quantity of 5N (99.999%)alumina with the way. Their capacity is 1000Tons per year and price is RMB 450500 per kilogram. Their product is popular worldwide

owing to high purity and quality. In China, xuan cheng jing rui new material co.,ltd,Hang Zhou wan jing new material co.,ltd adopt 

the advanced method since 1996 to produce high purity alumina. In the way, though the companies take a lot of detours and the purity

is unqualified at first, they constantly make effort to explore technology and innovate. It takes nearly 6 years to resolve the purity,technique, 

equipment.Now their technology is rather mature, and own their independent intellectual property rights. Practice proves that their product 

of VK-L100G,VK-L100K can grow big and superior sapphire wafer.