Safirkrystaller dyrkes fra høyrent aluminapulver med en renhet på >99,995 %, noe som gjør dem til det området med størst etterspørsel etter høyrent alumina. De har høy styrke, høy hardhet og stabile kjemiske egenskaper, noe som gjør dem i stand til å operere i tøffe miljøer som høye temperaturer, korrosjon og støt. De er mye brukt i nasjonalt forsvar, sivil teknologi, mikroelektronikk og andre felt.
Fra høyrent aluminiumoksidpulver til safirkrystaller
1Viktige bruksområder for safir
I forsvarssektoren brukes safirkrystaller primært til infrarøde vinduer for missiler. Moderne krigføring krever høy presisjon i missiler, og det infrarøde optiske vinduet er en kritisk komponent for å oppnå dette kravet. Med tanke på at missiler opplever intens aerodynamisk varme og støt under høyhastighetsflyvning, sammen med tøffe kampmiljøer, må radomen ha høy styrke, slagfasthet og evnen til å motstå erosjon fra sand, regn og andre alvorlige værforhold. Safirkrystaller, med sin utmerkede lysgjennomgang, overlegne mekaniske egenskaper og stabile kjemiske egenskaper, har blitt et ideelt materiale for infrarøde vinduer for missiler.
LED-substrater representerer den største bruken av safir. LED-belysning regnes som den tredje revolusjonen etter lysrør og energisparende lamper. Prinsippet bak LED-er innebærer å konvertere elektrisk energi til lysenergi. Når strøm passerer gjennom en halvleder, kombineres hull og elektroner, og frigjør overflødig energi i form av lys, som til slutt produserer belysning. LED-brikketeknologi er basert på epitaksiale wafere, der gassformige materialer avsettes lag for lag på et substrat. De viktigste substratmaterialene inkluderer silisiumsubstrater, silisiumkarbidsubstrater og safirsubstrater. Blant disse tilbyr safirsubstrater betydelige fordeler i forhold til de to andre, inkludert enhetsstabilitet, moden forberedelsesteknologi, ikke-absorpsjon av synlig lys, god lysgjennomgang og moderate kostnader. Data viser at 80 % av globale LED-selskaper bruker safir som substratmateriale.
I tillegg til de nevnte bruksområdene brukes safirkrystaller også i mobiltelefonskjermer, medisinsk utstyr, smykkedekorasjon og som vindusmaterialer for ulike vitenskapelige deteksjonsinstrumenter som linser og prismer.
2. Markedsstørrelse og utsikter
Drevet av politisk støtte og de økende bruksscenariene for LED-brikker, forventes etterspørselen etter safirsubstrater og deres markedsstørrelse å oppnå tosifret vekst. Innen 2025 forventes forsendelsesvolumet av safirsubstrater å nå 103 millioner enheter (konvertert til 4-tommers substrater), noe som representerer en økning på 63 % sammenlignet med 2021, med en sammensatt årlig vekstrate (CAGR) på 13 % fra 2021 til 2025. Markedsstørrelsen for safirsubstrater forventes å nå 8 milliarder yen innen 2025, en økning på 108 % sammenlignet med 2021, med en sammensatt årlig vekstrate på 20 % fra 2021 til 2025. Som "forløperen" til substrater er markedsstørrelsen og veksttrenden for safirkrystaller tydelig.
3. Fremstilling av safirkrystaller
Siden 1891, da den franske kjemikeren Verneuil A. oppfant flammefusjonsmetoden for å produsere kunstige edelstenskrystaller for første gang, har studiet av kunstig safirkrystallvekst vart over et århundre. I løpet av denne perioden har fremskritt innen vitenskap og teknologi drevet omfattende forskning på safirvekstteknikker for å møte industrielle krav til høyere krystallkvalitet, forbedret utnyttelsesgrad og reduserte produksjonskostnader. Ulike nye metoder og teknologier har dukket opp for dyrking av safirkrystaller, som Czochralski-metoden, Kyropoulos-metoden, kantdefinert filmmatet vekst (EFG)-metoden og varmevekslingsmetoden (HEM).
3.1 Czochralski-metoden for dyrking av safirkrystaller
Czochralski-metoden, utviklet av Czochralski J. i 1918, er også kjent som Czochralski-teknikken (forkortet Cz-metoden). I 1964 anvendte Poladino AE og Rotter BD denne metoden for første gang for å dyrke safirkrystaller. Til dags dato har den produsert et stort antall safirkrystaller av høy kvalitet. Prinsippet innebærer å smelte råmaterialet for å danne en smelte, og deretter dyppe et enkeltkrystallfrø i smelteoverflaten. På grunn av temperaturforskjellen ved grensesnittet mellom fast stoff og væske skjer det underkjøling, noe som får smelten til å størkne på frøoverflaten og begynne å vokse en enkeltkrystall med samme krystallstruktur som frøet. Frøet trekkes sakte oppover mens det roterer med en viss hastighet. Når frøet trekkes, størkner smelten gradvis ved grensesnittet og danner en enkeltkrystall. Denne metoden, som innebærer å trekke en krystall fra smelten, er en av de vanlige teknikkene for å fremstille enkeltkrystaller av høy kvalitet.
Fordelene med Czochralski-metoden inkluderer: (1) rask veksthastighet, som muliggjør produksjon av enkeltkrystaller av høy kvalitet på kort tid; (2) krystaller vokser på smelteoverflaten uten kontakt med digelveggen, noe som effektivt reduserer indre spenninger og forbedrer krystallkvaliteten. En stor ulempe med denne metoden er imidlertid vanskeligheten med å dyrke krystaller med stor diameter, noe som gjør den mindre egnet for produksjon av store krystaller.
3.2 Kyropoulos-metoden for dyrking av safirkrystaller
Kyropoulos-metoden, oppfunnet av Kyropoulos i 1926 (forkortet KY-metoden), har likheter med Czochralski-metoden. Den innebærer å dyppe en frøkrystall ned i smelteoverflaten og sakte trekke den oppover for å danne en hals. Når størkningshastigheten ved smelte-frø-grensesnittet stabiliserer seg, blir ikke frøet lenger trukket eller rotert. I stedet kontrolleres avkjølingshastigheten for å la enkeltkrystallen størkne gradvis ovenfra og nedover, og til slutt danne en enkeltkrystall.
Kyropoulos-prosessen produserer krystaller med høy kvalitet, lav defekttetthet, stor og gunstig kostnadseffektivitet.
3.3 Kantdefinert filmmatet vekstmetode (EFG) for dyrking av safirkrystaller
EFG-metoden er en teknologi for vekst av formet krystall. Prinsippet innebærer å plassere en smelte med høyt smeltepunkt i en form. Smelten trekkes til toppen av formen via kapillærvirkning, hvor den kommer i kontakt med kimkrystallen. Når kimen trekkes og smelten størkner, dannes en enkelt krystall. Størrelsen og formen på formkanten begrenser krystalldimensjonene. Følgelig har denne metoden visse begrensninger og er først og fremst egnet for formede safirkrystaller som rør og U-formede profiler.
3.4 Varmevekslingsmetode (HEM) for dyrking av safirkrystaller
Varmevekslingsmetoden for å fremstille store safirkrystaller ble oppfunnet av Fred Schmid og Dennis i 1967. HEM-systemet har utmerket varmeisolasjon, uavhengig kontroll av temperaturgradienten i smelten og krystallen, og god kontrollerbarhet. Det produserer relativt enkelt safirkrystaller med lav dislokasjon og store.
Fordelene med HEM-metoden inkluderer fraværet av bevegelse i digelen, krystallen og varmeelementet under vekst, noe som eliminerer trekkbevegelser som de i Kyropoulos- og Czochralski-metodene. Dette reduserer menneskelig forstyrrelse og unngår krystalldefekter forårsaket av mekanisk bevegelse. I tillegg kan kjølehastigheten kontrolleres for å minimere termisk stress og resulterende krystallsprekk- og dislokasjonsdefekter. Denne metoden muliggjør vekst av store krystaller, er relativt enkel å betjene og har lovende utviklingsmuligheter.
Med dyp ekspertise innen safirkrystallvekst og presisjonsprosessering tilbyr XKH komplette, skreddersydde safirwaferløsninger for forsvar, LED og optoelektronikk. I tillegg til safir leverer vi et komplett utvalg av høypresterende halvledermaterialer, inkludert silisiumkarbid (SiC)-wafere, silisiumwafere, SiC-keramiske komponenter og kvartsprodukter. Vi sikrer eksepsjonell kvalitet, pålitelighet og teknisk støtte på tvers av alle materialer, og hjelper kundene med å oppnå banebrytende ytelse i avanserte industrielle og forskningsapplikasjoner.
Publisert: 29. august 2025