Saffierkristallen worden geproduceerd uit aluminiumoxidepoeder met een zuiverheid van > 99,995%, waardoor ze de grootste vraag naar aluminiumoxide met een hoge zuiverheidsgraad hebben. Ze vertonen een hoge sterkte, hoge hardheid en stabiele chemische eigenschappen, waardoor ze bestand zijn tegen extreme omstandigheden zoals hoge temperaturen, corrosie en impact. Ze worden veel gebruikt in de nationale defensie, civiele technologie, micro-elektronica en andere sectoren.
Van zeer zuiver aluminiumoxidepoeder tot saffierkristallen
1Belangrijkste toepassingen van saffier
In de defensiesector worden saffierkristallen voornamelijk gebruikt voor infraroodvensters voor raketten. Moderne oorlogsvoering vereist een hoge precisie van raketten, en het optische infraroodvenster is een cruciaal onderdeel om aan deze eis te voldoen. Aangezien raketten tijdens hogesnelheidsvluchten, in combinatie met zware gevechtsomstandigheden, te maken krijgen met intense aerodynamische hitte en impact, moet de radome zeer sterk en slagvast zijn en bestand zijn tegen erosie door zand, regen en andere extreme weersomstandigheden. Saffierkristallen zijn, met hun uitstekende lichttransmissie, superieure mechanische eigenschappen en stabiele chemische eigenschappen, een ideaal materiaal geworden voor infraroodvensters voor raketten.
LED-substraten vertegenwoordigen de grootste toepassing van saffier. LED-verlichting wordt beschouwd als de derde revolutie na fluorescentielampen en spaarlampen. Het principe van LED's is het omzetten van elektrische energie in lichtenergie. Wanneer stroom door een halfgeleider loopt, combineren gaten en elektronen zich, waardoor overtollige energie vrijkomt in de vorm van licht, wat uiteindelijk verlichting oplevert. LED-chiptechnologie is gebaseerd op epitaxiale wafers, waarbij gasvormige materialen laag voor laag op een substraat worden afgezet. De belangrijkste substraatmaterialen zijn siliciumsubstraten, siliciumcarbidesubstraten en saffiersubstraten. Saffiersubstraten bieden aanzienlijke voordelen ten opzichte van de andere twee, waaronder stabiliteit van het apparaat, geavanceerde preparatietechnologie, niet-absorptie van zichtbaar licht, goede lichttransmissie en gematigde kosten. Gegevens tonen aan dat 80% van de wereldwijde LED-bedrijven saffier als substraatmateriaal gebruikt.
Naast de hierboven genoemde toepassingen worden saffierkristallen ook gebruikt in mobiele telefoonschermen, medische apparatuur, sieradendecoratie en als venstermateriaal voor verschillende wetenschappelijke detectie-instrumenten, zoals lenzen en prisma's.
2. Markt omvang en vooruitzichten
Gedreven door beleidsondersteuning en de groeiende toepassingsmogelijkheden van ledchips, wordt verwacht dat de vraag naar saffiersubstraten en de omvang ervan een dubbele groei zullen doormaken. Tegen 2025 zal het verzendvolume van saffiersubstraten naar verwachting 103 miljoen stuks bedragen (omgerekend naar 4-inch substraten), een stijging van 63% ten opzichte van 2021, met een samengestelde jaarlijkse groei (CAGR) van 13% van 2021 tot 2025. De marktomvang van saffiersubstraten zal naar verwachting ¥8 miljard bedragen in 2025, een stijging van 108% ten opzichte van 2021, met een CAGR van 20% van 2021 tot 2025. Als "voorloper" van substraten zijn de marktomvang en de groeitrend van saffierkristallen duidelijk zichtbaar.
3. Voorbereiding van saffierkristallen
Sinds 1891, toen de Franse chemicus Verneuil A. voor het eerst de vlamfusiemethode uitvond om kunstmatige edelsteenkristallen te produceren, beslaat de studie naar de groei van kunstmatige saffierkristallen meer dan een eeuw. Gedurende deze periode hebben wetenschappelijke en technologische vooruitgang geleid tot uitgebreid onderzoek naar saffiergroeitechnieken om te voldoen aan de industriële vraag naar een hogere kristalkwaliteit, verbeterde benuttingspercentages en lagere productiekosten. Diverse nieuwe methoden en technologieën zijn ontwikkeld voor het kweken van saffierkristallen, zoals de Czochralski-methode, de Kyropoulos-methode, de edge-defined film-fed growth (EFG)-methode en de warmtewisselingsmethode (HEM).
3.1 Czochralski-methode voor het kweken van saffierkristallen
De Czochralski-methode, ontwikkeld door Czochralski J. in 1918, staat ook bekend als de Czochralski-techniek (afgekort als de Cz-methode). In 1964 pasten Poladino AE en Rotter BD deze methode voor het eerst toe om saffierkristallen te kweken. Tot op heden heeft deze methode een groot aantal hoogwaardige saffierkristallen opgeleverd. Het principe bestaat uit het smelten van de grondstof tot een smelt, waarna een enkel kristalzaadje in het smeltoppervlak wordt gedompeld. Door het temperatuurverschil op het grensvlak tussen vast en vloeibaar treedt er onderkoeling op, waardoor het smeltsel stolt op het oppervlak van het zaadje en een enkel kristal begint te groeien met dezelfde kristalstructuur als het zaadje. Het zaadje wordt langzaam omhoog getrokken terwijl het met een bepaalde snelheid roteert. Terwijl het zaadje wordt getrokken, stolt het smeltsel geleidelijk aan het grensvlak, waardoor een enkel kristal ontstaat. Deze methode, waarbij een kristal uit de smelt wordt getrokken, is een van de meest gebruikte technieken voor het bereiden van hoogwaardige enkelkristallen.
De voordelen van de Czochralski-methode zijn onder andere: (1) een snelle groeisnelheid, waardoor in korte tijd hoogwaardige enkelkristallen kunnen worden geproduceerd; (2) kristallen groeien aan het smeltoppervlak zonder contact met de kroeswand, waardoor de interne spanning effectief wordt verminderd en de kristalkwaliteit wordt verbeterd. Een groot nadeel van deze methode is echter de moeilijkheid om kristallen met een grote diameter te kweken, waardoor deze minder geschikt is voor de productie van grote kristallen.
3.2 Kyropoulos-methode voor het kweken van saffierkristallen
De Kyropoulos-methode, uitgevonden door Kyropoulos in 1926 (afgekort als de KY-methode), vertoont overeenkomsten met de Czochralski-methode. Hierbij wordt een kiemkristal in het smeltoppervlak gedompeld en langzaam omhoog getrokken om een nek te vormen. Zodra de stollingssnelheid op het grensvlak tussen smelt en kiem stabiliseert, wordt het kiemkristal niet langer getrokken of gedraaid. In plaats daarvan wordt de afkoelsnelheid gecontroleerd, zodat het enkelkristal geleidelijk van boven naar beneden stolt en uiteindelijk een enkelkristal vormt.
Het Kyropoulos-proces produceert kristallen met een hoge kwaliteit, een lage defectdichtheid, grote afmetingen en een gunstige kosteneffectiviteit.
3.3 Edge-Defined Film-Fed Growth (EFG)-methode voor het kweken van saffierkristallen
De EFG-methode is een technologie voor het kweken van gevormde kristallen. Het principe bestaat uit het plaatsen van een smelt met een hoog smeltpunt in een mal. De smelt wordt via capillaire werking naar de bovenkant van de mal getrokken, waar deze in contact komt met het entkristal. Terwijl het entkristal wordt getrokken en de smelt stolt, vormt zich een enkel kristal. De grootte en vorm van de malrand beperken de kristalafmetingen. Deze methode heeft dan ook bepaalde beperkingen en is voornamelijk geschikt voor gevormde saffierkristallen, zoals buizen en U-vormige profielen.
3.4 Warmtewisselingsmethode (HEM) voor het kweken van saffierkristallen
De warmtewisselingsmethode voor de bereiding van grote saffierkristallen werd in 1967 uitgevonden door Fred Schmid en Dennis. Het HEM-systeem kenmerkt zich door uitstekende thermische isolatie, onafhankelijke regeling van de temperatuurgradiënt in de smelt en het kristal, en een goede regelbaarheid. Het produceert relatief eenvoudig saffierkristallen met weinig dislocatie en grote afmetingen.
De voordelen van de HEM-methode zijn onder andere de afwezigheid van beweging in de kroes, het kristal en de verwarmer tijdens de groei, waardoor trekbewegingen zoals die in de Kyropoulos- en Czochralski-methoden worden geëlimineerd. Dit vermindert menselijke tussenkomst en voorkomt kristaldefecten veroorzaakt door mechanische beweging. Bovendien kan de koelsnelheid worden gecontroleerd om thermische spanning en de resulterende kristalscheuren en dislocatiedefecten te minimaliseren. Deze methode maakt de groei van grote kristallen mogelijk, is relatief eenvoudig te bedienen en biedt veelbelovende ontwikkelingsperspectieven.
Dankzij onze diepgaande expertise in de groei en precisiebewerking van saffierkristallen, biedt XKH complete, op maat gemaakte saffierwaferoplossingen voor defensie, LED's en opto-elektronica. Naast saffier leveren we een volledig assortiment hoogwaardige halfgeleidermaterialen, waaronder siliciumcarbide (SiC)-wafers, siliciumwafers, keramische SiC-componenten en kwartsproducten. We garanderen uitzonderlijke kwaliteit, betrouwbaarheid en technische ondersteuning voor alle materialen en helpen klanten baanbrekende prestaties te behalen in geavanceerde industriële en onderzoekstoepassingen.
Plaatsingstijd: 29-08-2025