Кристаллы сапфира выращиваются из высокочистого порошка оксида алюминия с чистотой >99,995%, что делает их наиболее востребованными в этой области. Они обладают высокой прочностью, твердостью и стабильными химическими свойствами, что позволяет использовать их в суровых условиях, таких как высокие температуры, коррозия и удары. Сапфиры широко применяются в оборонной промышленности, гражданских технологиях, микроэлектронике и других областях.
От высокочистого порошка оксида алюминия до кристаллов сапфира
1Основные области применения сапфира.
В оборонной промышленности сапфировые кристаллы в основном используются для изготовления инфракрасных окон ракет. Современная война требует высокой точности ракет, и инфракрасное оптическое окно является критически важным компонентом для достижения этой цели. Учитывая, что ракеты подвергаются интенсивному аэродинамическому нагреву и ударам во время высокоскоростного полета, а также суровым боевым условиям, обтекатель должен обладать высокой прочностью, ударостойкостью и способностью противостоять эрозии от песка, дождя и других неблагоприятных погодных условий. Сапфировые кристаллы, благодаря своей превосходной светопроницаемости, отличным механическим свойствам и стабильным химическим характеристикам, стали идеальным материалом для инфракрасных окон ракет.
Подложки для светодиодов представляют собой наиболее широкое применение сапфира. Светодиодное освещение считается третьей революцией после люминесцентных и энергосберегающих ламп. Принцип работы светодиодов заключается в преобразовании электрической энергии в световую. Когда ток проходит через полупроводник, дырки и электроны объединяются, высвобождая избыточную энергию в виде света, в конечном итоге создавая освещение. Технология светодиодных чипов основана на эпитаксиальных пластинах, где газообразные материалы наносятся слой за слоем на подложку. Основные материалы подложек включают кремниевые подложки, подложки из карбида кремния и сапфировые подложки. Среди них сапфировые подложки обладают значительными преимуществами перед двумя другими, включая стабильность устройства, отработанную технологию изготовления, отсутствие поглощения видимого света, хорошую светопропускаемость и умеренную стоимость. Данные показывают, что 80% мировых компаний, производящих светодиоды, используют сапфир в качестве материала подложки.
Помимо вышеупомянутых применений, сапфировые кристаллы также используются в экранах мобильных телефонов, медицинских приборах, ювелирных украшениях, а также в качестве материала для окон различных научных приборов обнаружения, таких как линзы и призмы.
2. Размер рынка и перспективы
Благодаря государственной поддержке и расширению областей применения светодиодных чипов, ожидается, что спрос на сапфировые подложки и объем их рынка будут расти двузначными темпами. К 2025 году прогнозируется, что объем поставок сапфировых подложек достигнет 103 миллионов штук (в пересчете на 4-дюймовые подложки), что на 63% больше по сравнению с 2021 годом, при среднегодовом темпе роста (CAGR) в 13% в период с 2021 по 2025 год. Ожидается, что объем рынка сапфировых подложек достигнет 8 миллиардов юаней к 2025 году, что на 108% больше по сравнению с 2021 годом, при среднегодовом темпе роста в 20% в период с 2021 по 2025 год. Как «предшественник» подложек, сапфировые кристаллы демонстрируют очевидные объемы рынка и тенденцию роста.
3. Получение кристаллов сапфира
С 1891 года, когда французский химик Вернёй А. впервые изобрел метод пламенного плавления для получения искусственных кристаллов драгоценных камней, изучение выращивания искусственных кристаллов сапфира продолжается уже более века. За это время достижения в науке и технике стимулировали обширные исследования методов выращивания сапфира для удовлетворения промышленных требований к более высокому качеству кристаллов, повышению коэффициента использования и снижению производственных затрат. Появились различные новые методы и технологии выращивания кристаллов сапфира, такие как метод Чохральского, метод Киропулоса, метод выращивания с заданным краем и подачей пленки (EFG) и метод теплообмена (HEM).
3.1 Метод Чохральского для выращивания кристаллов сапфира
Метод Чохральского, впервые предложенный Й. Чохральским в 1918 году, также известен как техника Чохральского (сокращенно метод Ч). В 1964 году А. Э. Поладино и Б. Д. Роттер впервые применили этот метод для выращивания кристаллов сапфира. На сегодняшний день с его помощью получено большое количество высококачественных кристаллов сапфира. Принцип заключается в плавлении исходного материала до образования расплава, а затем погружении затравки монокристалла в поверхность расплава. Из-за разницы температур на границе раздела твердое тело-жидкость происходит переохлаждение, в результате чего расплав затвердевает на поверхности затравки и начинается рост монокристалла с той же кристаллической структурой, что и затравка. Затравка медленно вытягивается вверх, вращаясь с определенной скоростью. По мере вытягивания затравки расплав постепенно затвердевает на границе раздела, образуя монокристалл. Этот метод, включающий вытягивание кристалла из расплава, является одним из распространенных способов получения высококачественных монокристаллов.
К преимуществам метода Чохральского относятся: (1) высокая скорость роста, позволяющая получать высококачественные монокристаллы за короткое время; (2) кристаллы растут на поверхности расплава без контакта со стенкой тигля, что эффективно снижает внутреннее напряжение и улучшает качество кристаллов. Однако существенным недостатком этого метода является сложность выращивания кристаллов большого диаметра, что делает его менее подходящим для получения кристаллов больших размеров.
3.2 Метод Киропулоса для выращивания кристаллов сапфира
Метод Киропулоса, изобретенный Киропулосом в 1926 году (сокращенно метод KY), имеет сходство с методом Чохральского. Он включает в себя погружение затравки в поверхность расплава и медленное вытягивание ее вверх для образования шейки. Как только скорость затвердевания на границе расплав-затравка стабилизируется, затравку больше не вытягивают и не вращают. Вместо этого скорость охлаждения контролируется таким образом, чтобы монокристалл постепенно затвердевал сверху вниз, в конечном итоге образуя монокристалл.
Процесс Киропулоса позволяет получать кристаллы высокого качества с низкой плотностью дефектов, большими размерами и выгодной экономической эффективностью.
3.3 Метод выращивания кристаллов сапфира с использованием пленочного метода с заданными краями (EFG)
Метод EFG — это технология выращивания кристаллов заданной формы. Его принцип заключается в помещении высокотемпературного расплава в форму. Расплав затягивается к верхней части формы за счет капиллярного действия, где он контактирует с затравкой. По мере того, как затравка вытягивается и расплав затвердевает, образуется монокристалл. Размер и форма края формы ограничивают размеры кристалла. Следовательно, этот метод имеет определенные ограничения и в основном подходит для кристаллов сапфира заданной формы, таких как трубки и U-образные профили.
3.4 Метод теплообмена (МТО) для выращивания кристаллов сапфира
Метод теплообмена для получения крупных кристаллов сапфира был изобретен Фредом Шмидом и Деннисом в 1967 году. Система HEM отличается превосходной теплоизоляцией, независимым контролем температурного градиента в расплаве и кристалле, а также хорошей управляемостью. Она относительно легко позволяет получать кристаллы сапфира с низким уровнем дислокаций и крупными кристаллами.
Преимущества метода HEM включают отсутствие движения тигля, кристалла и нагревателя во время роста, что исключает необходимость вытягивания, как это происходит в методах Киропулоса и Чохральского. Это снижает вмешательство человека и предотвращает дефекты кристаллов, вызванные механическим движением. Кроме того, скорость охлаждения можно контролировать для минимизации термического напряжения и, как следствие, растрескивания кристаллов и дислокационных дефектов. Этот метод позволяет выращивать кристаллы больших размеров, относительно прост в эксплуатации и имеет многообещающие перспективы развития.
Обладая глубокими знаниями в области выращивания сапфировых кристаллов и высокоточной обработки, компания XKH предоставляет комплексные решения по изготовлению сапфировых пластин на заказ, адаптированные для оборонной промышленности, светодиодной техники и оптоэлектроники. Помимо сапфира, мы поставляем полный спектр высокоэффективных полупроводниковых материалов, включая пластины из карбида кремния (SiC), кремниевые пластины, керамические компоненты из SiC и изделия из кварца. Мы гарантируем исключительное качество, надежность и техническую поддержку для всех материалов, помогая клиентам достигать прорывных результатов в передовых промышленных и исследовательских приложениях.
Дата публикации: 29 августа 2025 г.