Safirkristaller odlas från högrent aluminiumoxidpulver med en renhet på >99,995 %, vilket gör dem till det området med störst efterfrågan på högrent aluminiumoxid. De uppvisar hög hållfasthet, hög hårdhet och stabila kemiska egenskaper, vilket gör att de kan fungera i tuffa miljöer som höga temperaturer, korrosion och slag. De används ofta inom nationellt försvar, civil teknik, mikroelektronik och andra områden.
Från högrent aluminiumoxidpulver till safirkristaller
1Viktiga tillämpningar av safir
Inom försvarssektorn används safirkristaller främst för missilers infraröda fönster. Modern krigföring kräver hög precision hos missiler, och det infraröda optiska fönstret är en kritisk komponent för att uppnå detta krav. Med tanke på att missiler utsätts för intensiv aerodynamisk värme och stötar under höghastighetsflygning, tillsammans med tuffa stridsmiljöer, måste radomen ha hög hållfasthet, stöttålighet och förmåga att motstå erosion från sand, regn och andra svåra väderförhållanden. Safirkristaller, med sin utmärkta ljusgenomsläpplighet, överlägsna mekaniska egenskaper och stabila kemiska egenskaper, har blivit ett idealiskt material för missilers infraröda fönster.
LED-substrat representerar den största tillämpningen av safir. LED-belysning anses vara den tredje revolutionen efter lysrör och energisparlampor. Principen bakom LED-lampor innebär att man omvandlar elektrisk energi till ljusenergi. När ström passerar genom en halvledare kombineras hål och elektroner, vilket frigör överskottsenergi i form av ljus, vilket slutligen producerar belysning. LED-chiptekniken är baserad på epitaxiella wafers, där gasformiga material avsätts lager för lager på ett substrat. De huvudsakliga substratmaterialen inkluderar kiselsubstrat, kiselkarbidsubstrat och safirsubstrat. Bland dessa erbjuder safirsubstrat betydande fördelar jämfört med de andra två, inklusive enhetsstabilitet, mogen bearbetningsteknik, icke-absorption av synligt ljus, god ljusgenomsläpplighet och måttlig kostnad. Data visar att 80 % av globala LED-företag använder safir som substratmaterial.
Förutom de ovannämnda tillämpningarna används safirkristaller även i mobiltelefonskärmar, medicintekniska produkter, smyckesdekorationer och som fönstermaterial för olika vetenskapliga detektionsinstrument såsom linser och prismor.
2. Marknadsstorlek och framtidsutsikter
Drivet av policystöd och de expanderande tillämpningsscenarierna för LED-chip förväntas efterfrågan på safirsubstrat och deras marknadsstorlek uppnå tvåsiffrig tillväxt. År 2025 förväntas leveransvolymen av safirsubstrat uppgå till 103 miljoner enheter (omvandlat till 4-tumssubstrat), vilket motsvarar en ökning med 63 % jämfört med 2021, med en genomsnittlig årlig tillväxttakt (CAGR) på 13 % från 2021 till 2025. Marknadsstorleken för safirsubstrat förväntas nå 8 miljarder yen år 2025, en ökning med 108 % jämfört med 2021, med en genomsnittlig årlig tillväxttakt på 20 % från 2021 till 2025. Som "föregångare" till substrat är marknadsstorleken och tillväxttrenden för safirkristaller tydlig.
3. Beredning av safirkristaller
Sedan 1891, då den franske kemisten Verneuil A. uppfann flamfusionsmetoden för att producera artificiella ädelstenskristaller för första gången, har studiet av artificiell safirkristalltillväxt pågått i över ett sekel. Under denna period har framsteg inom vetenskap och teknik drivit omfattande forskning om safirtillväxttekniker för att möta industriella krav på högre kristallkvalitet, förbättrad utnyttjandegrad och minskade produktionskostnader. Olika nya metoder och teknologier har framkommit för att odla safirkristaller, såsom Czochralski-metoden, Kyropoulos-metoden, EFG-metoden (edge-definied film-fed growth) och värmeväxlingsmetoden (HEM).
3.1 Czochralski-metoden för odling av safirkristaller
Czochralski-metoden, som introducerades av Czochralski J. år 1918, är också känd som Czochralski-tekniken (förkortad Cz-metoden). År 1964 använde Poladino AE och Rotter BD för första gången denna metod för att odla safirkristaller. Hittills har den producerat ett stort antal högkvalitativa safirkristaller. Principen innebär att man smälter råmaterialet för att bilda en smälta, och sedan doppar ett enkristallfrö i smältans yta. På grund av temperaturskillnaden vid gränssnittet mellan fast och flytande ämne sker underkylning, vilket gör att smältan stelnar på fröytan och börjar växa som enkristall med samma kristallstruktur som fröet. Fröet dras långsamt uppåt medan det roterar med en viss hastighet. När fröet dras stelnar smältan gradvis vid gränssnittet och bildar en enkristall. Denna metod, som innebär att man drar en kristall från smältan, är en av de vanliga teknikerna för att framställa högkvalitativa enkristaller.
Fördelarna med Czochralski-metoden inkluderar: (1) snabb tillväxthastighet, vilket möjliggör produktion av högkvalitativa enkristaller på kort tid; (2) kristaller växer vid smältans yta utan kontakt med degelväggen, vilket effektivt minskar den inre spänningen och förbättrar kristallkvaliteten. En stor nackdel med denna metod är dock svårigheten att odla kristaller med stor diameter, vilket gör den mindre lämplig för att producera kristaller i stor skala.
3.2 Kyropoulos metod för odling av safirkristaller
Kyropoulos-metoden, uppfunnen av Kyropoulos 1926 (förkortad KY-metoden), har likheter med Czochralski-metoden. Den innebär att en ympkristall doppas i smältans yta och långsamt dras uppåt för att bilda en hals. När stelningshastigheten vid smälta-ytan stabiliseras, dras eller roteras inte längre ympkristallen. Istället kontrolleras kylningshastigheten för att låta enkristallen stelna gradvis uppifrån och nedåt, och slutligen bilda en enkristall.
Kyropoulos-processen producerar kristaller med hög kvalitet, låg defektdensitet, stor och gynnsam kostnadseffektivitet.
3.3 Kantdefinierad filmmatad tillväxt (EFG) för odling av safirkristaller
EFG-metoden är en teknik för tillväxt av formade kristaller. Principen innebär att en smälta med hög smältpunkt placeras i en form. Smältan dras upp till formens topp via kapillärverkan, där den kommer i kontakt med ympkristallen. När ympkristallen dras och smältan stelnar bildas en enda kristall. Storleken och formen på formkanten begränsar kristallens dimensioner. Följaktligen har denna metod vissa begränsningar och är främst lämplig för formade safirkristaller såsom rör och U-formade profiler.
3.4 Värmeväxlingsmetod (HEM) för odling av safirkristaller
Värmeväxlingsmetoden för att framställa stora safirkristaller uppfanns av Fred Schmid och Dennis år 1967. HEM-systemet har utmärkt värmeisolering, oberoende kontroll av temperaturgradienten i smältan och kristallen, samt god styrbarhet. Det producerar relativt enkelt safirkristaller med låg dislokation och stora.
Fördelarna med HEM-metoden inkluderar avsaknaden av rörelse i degeln, kristallen och värmaren under tillväxten, vilket eliminerar dragande åtgärder som de i Kyropoulos- och Czochralski-metoderna. Detta minskar mänsklig påverkan och undviker kristalldefekter orsakade av mekanisk rörelse. Dessutom kan kylningshastigheten kontrolleras för att minimera termisk stress och resulterande kristallsprickbildning och dislokationsdefekter. Denna metod möjliggör tillväxt av stora kristaller, är relativt enkel att använda och har lovande utvecklingsmöjligheter.
Med djup expertis inom safirkristalltillväxt och precisionsbearbetning erbjuder XKH heltäckande skräddarsydda safirskivorlösningar skräddarsydda för försvars-, LED- och optoelektronikapplikationer. Förutom safir levererar vi ett komplett utbud av högpresterande halvledarmaterial, inklusive kiselkarbidskivor (SiC), kiselskivor, keramiska SiC-komponenter och kvartsprodukter. Vi säkerställer exceptionell kvalitet, tillförlitlighet och teknisk support för alla material, vilket hjälper kunder att uppnå banbrytande prestanda inom avancerade industriella och forskningsapplikationer.
Publiceringstid: 29 augusti 2025