Saffierkristallen worden gekweekt uit zeer zuiver aluminiumoxidepoeder met een zuiverheid van >99,995%, waardoor ze het meest gevraagde materiaal zijn voor zeer zuiver aluminiumoxide. Ze kenmerken zich door een hoge sterkte, hoge hardheid en stabiele chemische eigenschappen, waardoor ze bestand zijn tegen extreme omstandigheden zoals hoge temperaturen, corrosie en impact. Ze worden veelvuldig 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 van raketten. Moderne oorlogsvoering vereist een hoge precisie van raketten, en het infraroodvenster is een cruciaal onderdeel om aan deze eis te voldoen. Aangezien raketten tijdens hogesnelheidsvluchten intense aerodynamische hitte en impact ondervinden, evenals zware gevechtsomstandigheden, moet de radome een hoge sterkte, slagvastheid en erosiebestendigheid door zand, regen en andere extreme weersomstandigheden bezitten. Saffierkristallen, met hun uitstekende lichtdoorlatendheid, superieure mechanische eigenschappen en stabiele chemische kenmerken, zijn een ideaal materiaal geworden voor infraroodvensters van raketten.
LED-substraten vormen de grootste toepassing van saffier. LED-verlichting wordt beschouwd als de derde revolutie na fluorescentielampen en spaarlampen. Het principe van LED's berust op de omzetting van elektrische energie in lichtenergie. Wanneer stroom door een halfgeleider loopt, combineren gaten en elektronen zich, waarbij overtollige energie vrijkomt in de vorm van licht, wat uiteindelijk verlichting oplevert. LED-chiptechnologie is gebaseerd op epitaxiale wafers, waarbij gasvormige materialen laagje voor laagje op een substraat worden afgezet. De belangrijkste substraatmaterialen zijn siliciumsubstraten, siliciumcarbidesubstraten en saffiersubstraten. Van deze drie biedt saffiersubstraten aanzienlijke voordelen ten opzichte van de andere twee, waaronder apparaatstabiliteit, een vol成熟e productietechnologie, geen absorptie van zichtbaar licht, goede lichtdoorlatendheid en een relatief lage kostprijs. Uit gegevens blijkt dat 80% van de wereldwijde LED-bedrijven saffier als substraatmateriaal gebruikt.
Naast de bovengenoemde toepassingen worden saffierkristallen ook gebruikt in mobiele telefoonschermen, medische apparaten, sieraden en als venstermateriaal voor diverse wetenschappelijke meetinstrumenten zoals lenzen en prisma's.
2. Marktomvang en vooruitzichten
Gedreven door beleidssteun en de groeiende toepassingsmogelijkheden van LED-chips, zal de vraag naar saffiersubstraten en de omvang van de markt naar verwachting een dubbelcijferige groei laten zien. Tegen 2025 zal het verzendvolume van saffiersubstraten naar verwachting 103 miljoen stuks (omgerekend naar 4-inch substraten) bereiken, een stijging van 63% ten opzichte van 2021, met een samengestelde jaarlijkse groei (CAGR) van 13% van 2021 tot 2025. De markt voor saffiersubstraten zal naar verwachting in 2025 ¥8 miljard bedragen, 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. Bereiding van saffierkristallen
Sinds 1891, toen de Franse chemicus Verneuil A. voor het eerst de vlamfusiemethode uitvond om kunstmatige edelsteenkristallen te produceren, strekt het onderzoek naar de groei van kunstmatige saffierkristallen zich uit over meer dan een eeuw. Gedurende deze periode hebben de vooruitgang in wetenschap en technologie uitgebreid onderzoek naar saffiergroeitechnieken gestimuleerd om te voldoen aan de industriële vraag naar hogere kristalkwaliteit, verbeterde benuttingsgraden en lagere productiekosten. Diverse nieuwe methoden en technologieën zijn ontwikkeld voor de groei van saffierkristallen, zoals de Czochralski-methode, de Kyropoulos-methode, de edge-defined film-fed growth (EFG)-methode en de heat exchange method (HEM).
3.1 De Czochralski-methode voor het kweken van saffierkristallen
De Czochralski-methode, die in 1918 werd ontwikkeld door J. Czochralski, 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 op de groei van saffierkristallen. Tot op heden heeft deze methode een groot aantal hoogwaardige saffierkristallen opgeleverd. Het principe berust op het smelten van het ruwe materiaal tot een smelt, waarna een enkelkristalzaadje in het smeltbad wordt geplaatst. Door het temperatuurverschil aan het grensvlak tussen vast en vloeibaar treedt onderkoeling op, waardoor de smelt op het zaadje stolt en een enkelkristal met dezelfde kristalstructuur als het zaadje begint te groeien. Het zaadje wordt langzaam omhoog getrokken terwijl het met een bepaalde snelheid roteert. Tijdens het omhoogtrekken stolt de smelt geleidelijk aan het grensvlak, waardoor een enkelkristal ontstaat. Deze methode, waarbij een kristal uit de smelt wordt getrokken, is een van de meest gebruikte technieken voor het produceren 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) de kristallen groeien aan het smeltoppervlak zonder contact met de smeltkroeswand, waardoor interne spanningen effectief worden verminderd en de kristalkwaliteit wordt verbeterd. Een belangrijk 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 De 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. Deze methode houdt in dat een zaadkristal in het gesmolten oppervlak wordt gedompeld en langzaam omhoog wordt getrokken om een hals te vormen. Zodra de stollingssnelheid aan het grensvlak tussen smelt en zaadkristal stabiliseert, wordt het zaadkristal niet langer omhoog getrokken of gedraaid. In plaats daarvan wordt de afkoelsnelheid gecontroleerd, zodat het enkelkristal geleidelijk van boven naar beneden stolt en uiteindelijk één enkel kristal vormt.
Het Kyropoulos-proces produceert kristallen van hoge kwaliteit met 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 ervan berust op het plaatsen van een smelt met een hoog smeltpunt in een mal. De smelt wordt door capillaire werking naar de bovenkant van de mal getrokken, waar deze in contact komt met het zaadkristal. Terwijl het zaadkristal wordt aangetrokken en de smelt stolt, vormt zich een enkel kristal. De grootte en vorm van de rand van de mal beperken de afmetingen van het kristal. Bijgevolg heeft deze methode bepaalde beperkingen en is ze vooral geschikt voor gevormde saffierkristallen, zoals buizen en U-vormige profielen.
3.4 Warmte-uitwisselingsmethode (HEM) voor het kweken van saffierkristallen
De warmtewisselingsmethode voor het bereiden 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 goede beheersbaarheid. Het produceert relatief gemakkelijk saffierkristallen met weinig dislocaties en een grote afmeting.
De voordelen van de HEM-methode zijn onder andere de afwezigheid van beweging in de smeltkroes, het kristal en de verwarmer tijdens de groei, waardoor trekkrachten zoals die bij de Kyropoulos- en Czochralski-methoden voorkomen worden. Dit vermindert menselijke tussenkomst en voorkomt kristaldefecten die worden veroorzaakt door mechanische beweging. Bovendien kan de afkoelsnelheid worden geregeld om thermische spanning en de daaruit voortvloeiende 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 precisieverwerking van saffierkristallen, biedt XKH totaaloplossingen op maat voor saffierwafers, specifiek afgestemd op defensie-, LED- en opto-elektronica-toepassingen. Naast saffier leveren we een volledig assortiment hoogwaardige halfgeleidermaterialen, waaronder siliciumcarbide (SiC) wafers, siliciumwafers, SiC-keramische componenten en kwartsproducten. We garanderen uitzonderlijke kwaliteit, betrouwbaarheid en technische ondersteuning voor al onze materialen, waardoor klanten baanbrekende prestaties kunnen leveren in geavanceerde industriële en onderzoeksapplicaties.
Geplaatst op: 29 augustus 2025