Кристали сапфіру вирощують з високочистого порошку глинозему з чистотою >99,995%, що робить їх найбільшою сферою попиту на високочистий глинозем. Вони демонструють високу міцність, високу твердість та стабільні хімічні властивості, що дозволяє їм працювати в суворих умовах, таких як високі температури, корозія та удари. Вони широко використовуються в національній обороні, цивільних технологіях, мікроелектроніці та інших галузях.
Від високочистого порошку оксиду алюмінію до кристалів сапфіру
1Основні застосування сапфіру
В оборонному секторі сапфірові кристали в основному використовуються для інфрачервоних вікон ракет. Сучасна війна вимагає високої точності ракет, і інфрачервоне оптичне вікно є критично важливим компонентом для досягнення цієї вимоги. Враховуючи, що ракети піддаються інтенсивному аеродинамічному нагріванню та ударам під час польоту на високій швидкості, а також у суворих бойових умовах, обтічник повинен мати високу міцність, ударостійкість та здатність протистояти ерозії від піску, дощу та інших суворих погодних умов. Сапфірові кристали, завдяки своєму чудовому пропусканню світла, чудовим механічним властивостям та стабільним хімічним характеристикам, стали ідеальним матеріалом для інфрачервоних вікон ракет.
Світлодіодні підкладки представляють собою найбільше застосування сапфіру. Світлодіодне освітлення вважається третьою революцією після люмінесцентних та енергозберігаючих ламп. Принцип дії світлодіодів полягає в перетворенні електричної енергії на світлову. Коли струм проходить через напівпровідник, дірки та електрони об'єднуються, вивільняючи надлишкову енергію у вигляді світла, що зрештою створює освітлення. Технологія світлодіодних чіпів базується на епітаксіальних пластинах, де газоподібні матеріали шар за шаром наносяться на підкладку. Основні матеріали підкладок включають кремнієві підкладки, карбідкремнієві підкладки та сапфірові підкладки. Серед них сапфірові підкладки пропонують значні переваги над двома іншими, включаючи стабільність пристрою, зрілу технологію підготовки, не поглинання видимого світла, хороше світлопропускання та помірну вартість. Дані показують, що 80% світових компаній-виробників світлодіодів використовують сапфір як матеріал для підкладок.
Окрім вищезгаданих застосувань, сапфірові кристали також використовуються в екранах мобільних телефонів, медичних виробах, оздобленні ювелірних виробів та як віконні матеріали для різних наукових приладів виявлення, таких як лінзи та призми.
2. Розмір ринку та перспективи
Завдяки політичній підтримці та розширенню сценаріїв застосування світлодіодних чіпів, очікується, що попит на сапфірові підкладки та розмір їхнього ринку зростуть двозначними числами. До 2025 року обсяг поставок сапфірових підкладок, за прогнозами, досягне 103 мільйонів штук (у перерахунку на 4-дюймові підкладки), що на 63% більше порівняно з 2021 роком, зі сукупним річним темпом зростання (CAGR) 13% з 2021 по 2025 рік. Очікується, що розмір ринку сапфірових підкладок досягне 8 мільярдів єн до 2025 року, що на 108% більше порівняно з 2021 роком, зі сукупним річним темпом зростання 20% з 2021 по 2025 рік. Як «попередник» підкладок, сапфірові кристали мають очевидні розмір ринку та тенденцію до зростання.
3. Підготовка кристалів сапфіру
З 1891 року, коли французький хімік Верней А. вперше винайшов метод полум'яного плавлення для отримання штучних кристалів дорогоцінного каміння, дослідження вирощування штучних кристалів сапфіру тривало понад століття. Протягом цього періоду досягнення в науці та техніці призвели до широких досліджень методів вирощування сапфірів, щоб задовольнити промислові потреби у вищій якості кристалів, покращенні коефіцієнтів використання та зниженні виробничих витрат. З'явилися різні нові методи та технології вирощування кристалів сапфіру, такі як метод Чохральського, метод Кіропулоса, метод вирощування з плівковою підживленням з визначеними краями (EFG) та метод теплообміну (HEM).
3.1 Метод Чохральського для вирощування кристалів сапфіру
Метод Чохральського, вперше запропонований Чохральським Й. у 1918 році, також відомий як метод Чохральського (скорочено метод Cz). У 1964 році Поладіно А.Е. та Роттер Б.Д. вперше застосували цей метод для вирощування кристалів сапфіру. На сьогоднішній день він дозволив отримати велику кількість високоякісних кристалів сапфіру. Принцип полягає в плавленні сировини для утворення розплаву, а потім зануренні зародка монокристала в поверхню розплаву. Через різницю температур на межі твердого та рідкого станів відбувається переохолодження, що призводить до затвердіння розплаву на поверхні зародка та початку вирощування монокристала з такою ж кристалічною структурою, як і зародок. Зародок повільно витягується вгору, обертаючись з певною швидкістю. У міру витягування зародка розплав поступово твердне на межі розділу, утворюючи монокристал. Цей метод, який передбачає витягування кристала з розплаву, є одним із поширених методів отримання високоякісних монокристалів.
Переваги методу Чохральського включають: (1) швидку швидкість росту, що дозволяє виробляти високоякісні монокристали за короткий час; (2) кристали ростуть на поверхні розплаву без контакту зі стінкою тигля, що ефективно зменшує внутрішню напругу та покращує якість кристалів. Однак основним недоліком цього методу є складність вирощування кристалів великого діаметра, що робить його менш придатним для отримання кристалів великих розмірів.
3.2 Метод Кіропулоса для вирощування кристалів сапфіру
Метод Кіропулоса, винайдений Кіропулосом у 1926 році (скорочено метод KY), має спільні риси з методом Чохральського. Він передбачає занурення зародка в поверхню розплаву та повільне витягування його вгору для формування горлечка. Після того, як швидкість затвердіння на межі розплаву та зародка стабілізується, зародок більше не витягують і не обертають. Натомість швидкість охолодження контролюється, щоб монокристал міг поступово затвердіти зверху вниз, зрештою утворюючи монокристал.
Процес Кіропулоса забезпечує отримання кристалів високої якості, низької щільності дефектів, великих розмірів та вигідної економічної ефективності.
3.3 Метод вирощування кристалів сапфіру з підживленням плівкою (EFG) з визначеними краями
Метод EFG – це технологія вирощування фігурних кристалів. Його принцип полягає в розміщенні розплаву з високою температурою плавлення у формі. Розплав піднімається до верхньої частини форми за допомогою капілярного ефекту, де він контактує із зародковим кристалом. Коли зародок витягується та розплав затвердіває, утворюється монокристал. Розмір та форма краю форми обмежують розміри кристала. Отже, цей метод має певні обмеження та в першу чергу підходить для фігурних кристалів сапфіру, таких як трубки та U-подібні профілі.
3.4 Метод теплообміну (HEM) для вирощування кристалів сапфіру
Метод теплообміну для отримання великорозмірних кристалів сапфіру був винайдений Фредом Шмідом та Деннісом у 1967 році. Система HEM характеризується чудовою теплоізоляцією, незалежним контролем градієнта температури в розплаві та кристалі, а також хорошою керованістю. Вона відносно легко виробляє кристали сапфіру з низькою дислокацією та великими розмірами.
Переваги методу HEM включають відсутність руху тигля, кристала та нагрівача під час вирощування, що усуває дії, що витягують, такі як у методах Кіропулоса та Чохральського. Це зменшує втручання людини та дозволяє уникнути дефектів кристалів, спричинених механічним рухом. Крім того, швидкість охолодження можна контролювати, щоб мінімізувати термічне напруження та результуючі дефекти розтріскування кристалів і дислокацій. Цей метод дозволяє вирощувати кристали великого розміру, є відносно простим в експлуатації та має багатообіцяючі перспективи розвитку.
Використовуючи глибокий досвід у вирощуванні та прецизійній обробці кристалів сапфіру, XKH пропонує комплексні рішення для виготовлення сапфірових пластин на замовлення, адаптовані до застосування в оборонній галузі, світлодіодах та оптоелектроніці. Окрім сапфіру, ми постачаємо повний асортимент високопродуктивних напівпровідникових матеріалів, включаючи пластини з карбіду кремнію (SiC), кремнієві пластини, керамічні компоненти SiC та кварцові вироби. Ми гарантуємо виняткову якість, надійність та технічну підтримку всіх матеріалів, допомагаючи клієнтам досягати проривних результатів у передових промислових та дослідницьких застосуваннях.
Час публікації: 29 серпня 2025 р.