Кристаллы сапфира выращиваются из порошка высокочистого оксида алюминия чистотой более 99,995%, что делает их наиболее востребованным материалом для высокочистого оксида алюминия. Они обладают высокой прочностью, твёрдостью и стабильными химическими свойствами, что позволяет им работать в суровых условиях, таких как высокие температуры, коррозия и удары. Они широко используются в национальной обороне, гражданской технике, 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 от 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 в суровых боевых условиях, обтекатель должен обладать высокой прочностью, ударопрочностью и способностью противостоять эрозии под воздействием песка, дождя и других суровых погодных условий. Сапфировые кристаллы, благодаря своему превосходному светопропусканию, превосходным механическим свойствам и стабильным химическим характеристикам, стали идеальным материалом для инфракрасных окон ракет.
Подложки 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. При прохождении тока через полупроводник дырки и электроны объединяются, высвобождая избыточную энергию в виде света, что в конечном итоге приводит к освещению. Технология производства светодиодных чипов основана на эпитаксиальных пластинах, где газообразные материалы слой за слоем осаждаются на подложку. Основные материалы для подложек включают кремниевые подложки, подложки из карбида кремния и сапфировые подложки. Среди них сапфировые подложки обладают значительными преимуществами по сравнению с двумя другими, включая стабильность устройства, отработанную технологию изготовления, непоглощение видимого света, хорошее пропускание света и умеренную стоимость. Данные показывают, что 80% мировых компаний, производящих светодиоды, используют сапфир в качестве материала для подложек.
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 политической поддержке и расширяющимся сценариям применения светодиодных чипов ожидается, что спрос на сапфировые подложки и их размер рынка достигнут двузначного роста. К 2025 году объем поставок сапфировых подложек, по прогнозам, достигнет 103 миллионов штук (в пересчете на 4-дюймовые подложки), что на 63% больше, чем в 2021 году, при совокупном годовом темпе роста (CAGR) 13% в период с 2021 по 2025 год. Ожидается, что размер рынка сапфировых подложек достигнет 8 миллиардов иен к 2025 году, что на 108% больше, чем в 2021 году, при CAGR 20% в период с 2021 по 2025 год. Как «предшественник» подложек, сапфировые кристаллы очевидны в плане размера рынка и тенденции роста.
3. Подготовка кристаллов сапфира
С 1891 года, когда французский химик А. Вернейль впервые изобрел метод плавления в пламени для получения искусственных кристаллов драгоценных камней, изучение роста искусственных кристаллов сапфира продолжается уже более века. В течение этого периода научно-технический прогресс стимулировал обширные исследования методов выращивания сапфиров для удовлетворения промышленных потребностей в более высоком качестве кристаллов, повышении коэффициента использования и снижении производственных затрат. Появились различные новые методы и технологии выращивания кристаллов сапфира, такие как метод Чохральского, метод Киропулоса, метод выращивания кристаллов с пленочной подачей на заданных границах (EFG) и метод теплообмена (HEM).
3.1 Метод Чохральского для выращивания кристаллов сапфира
Метод Чохральского, впервые предложенный Чохральским Й. в 1918 году, также известен как метод Чохральского (сокращенно метод Чохральского). В 1964 году Поладино А.Е. и Роттер Б.Д. впервые применили этот метод для выращивания кристаллов сапфира. К настоящему времени с его помощью получено большое количество высококачественных кристаллов сапфира. Принцип метода заключается в плавлении исходного материала до образования расплава, а затем погружении затравочного 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 начинает расти монокристалл с той же кристаллической структурой, что и затравка. Затравку медленно вытягивают вверх, вращая ее с определенной скоростью. По мере вытягивания затравки расплав постепенно затвердевает на границе раздела, образуя монокристалл. Этот метод, заключающийся в вытягивании кристалла из расплава, является одним из распространенных методов получения высококачественных монокристаллов.
Преимущества метода Чохральского включают: (1) высокую скорость роста, позволяющую получать высококачественные монокристаллы за короткое время; (2) рост кристаллов на поверхности расплава без контакта со стенкой тигля, что эффективно снижает внутренние напряжения и повышает качество кристаллов. Однако существенным недостатком этого метода является сложность выращивания кристаллов большого диаметра, что делает его менее пригодным для получения кристаллов больших размеров.
3.2 Метод Киропулоса для выращивания кристаллов сапфира
Метод Киропулоса, изобретённый Киропулосом в 1926 году (сокращенно метод KY), имеет сходство с методом Чохральского. Он заключается в погружении затравочного кристалла в поверхность расплава и медленном его вытягивании вверх для образования шейки. После стабилизации скорости кристаллизации на границе расплав-затравка вытягивание и вращение затравки прекращается. Вместо этого скорость охлаждения контролируется, чтобы монокристалл постепенно затвердевал сверху вниз, в конечном итоге образуя монокристалл.
Метод Киропулоса позволяет получать кристаллы высокого качества, с низкой плотностью дефектов, большого размера и выгодной экономической эффективностью.
3.3 Метод выращивания кристаллов сапфира с использованием пленочной подпитки с заданным краем (EFG)
Метод EFG представляет собой технологию выращивания формованных кристаллов. Его принцип заключается в помещении расплава с высокой температурой плавления в форму. Расплав под действием капиллярных сил поднимается в верхнюю часть формы, где контактирует с затравочным кристаллом. По мере вытягивания затравки и затвердевания расплава формируется монокристалл. Размеры кристалла ограничены размером и формой края формы. Следовательно, этот метод имеет определённые ограничения и подходит в первую очередь для формованных кристаллов сапфира, таких как трубки и U-образные профили.
3.4 Метод теплообмена (МТ) для выращивания кристаллов сапфира
Метод теплообмена для получения крупногабаритных кристаллов сапфира был разработан Фредом Шмидом и Деннисом в 1967 году. Система HEM отличается превосходной теплоизоляцией, независимым управлением температурным градиентом в расплаве и кристалле, а также хорошей управляемостью. Она позволяет относительно легко получать кристаллы сапфира с малым количеством дислокаций и крупными размерами.
К преимуществам метода HEM относится отсутствие движения тигля, кристалла и нагревателя во время роста, что исключает необходимость в вытягивании, например, в методах Киропулоса и Чохральского. Это снижает влияние человеческого фактора и позволяет избежать дефектов кристалла, вызванных механическим движением. Кроме того, скорость охлаждения можно контролировать, чтобы минимизировать термические напряжения и, как следствие, растрескивание кристалла и дислокационные дефекты. Этот метод позволяет выращивать кристаллы больших размеров, относительно прост в эксплуатации и имеет многообещающие перспективы развития.
Используя глубокие знания в области выращивания и прецизионной обработки кристаллов сапфира, компания XKH предлагает комплексные индивидуальные решения для производства сапфировых пластин, адаптированные для оборонной промышленности, светодиодной техники и оптоэлектроники. Помимо сапфира, мы поставляем полный спектр высокопроизводительных полупроводниковых материалов, включая пластины карбида кремния (SiC), кремниевые пластины, компоненты из SiC-керамики и кварцевые изделия. Мы гарантируем исключительное качество, надежность и техническую поддержку по всем материалам, помогая клиентам достигать прорывных результатов в передовых промышленных и исследовательских приложениях.
Время публикации: 29 августа 2025 г.