Safiirkristalle kasvatatakse kõrge puhtusastmega alumiiniumoksiidi pulbrist puhtusega >99,995%, mis teeb neist kõrge puhtusastmega alumiiniumoksiidi suurima nõutud valdkonna. Neil on kõrge tugevus, kõrge kõvadus ja stabiilsed keemilised omadused, mis võimaldavad neil töötada karmides keskkondades, nagu kõrged temperatuurid, korrosioon ja löögid. Neid kasutatakse laialdaselt riigikaitses, tsiviiltehnoloogias, mikroelektroonikas ja muudes valdkondades.
Kõrge puhtusastmega alumiiniumoksiidi pulbrist safiirkristallideni
1Safiiri peamised rakendused
Kaitsesektoris kasutatakse safiirkristalle peamiselt rakettide infrapunaakende jaoks. Kaasaegne sõjapidamine nõuab rakettidelt suurt täpsust ja infrapunane optiline aken on selle nõude täitmiseks kriitilise tähtsusega komponent. Arvestades, et raketid kogevad kiirel lennul ja karmides lahingutingimustes intensiivset aerodünaamilist kuumust ja lööke, peab radoom olema suure tugevusega, löögikindla ja taluma liiva, vihma ja muude raskete ilmastikutingimuste põhjustatud erosiooni. Safiirkristallid oma suurepärase valguse läbilaskvuse, suurepäraste mehaaniliste omaduste ja stabiilsete keemiliste omadustega on muutunud ideaalseks materjaliks rakettide infrapunaakende jaoks.
LED-aluspinnad on safiiri suurim rakendusala. LED-valgustust peetakse kolmandaks revolutsiooniks pärast luminofoor- ja energiasäästlikke lampe. LED-ide põhimõte hõlmab elektrienergia muundamist valgusenergiaks. Kui vool läbib pooljuhti, ühinevad augud ja elektronid, vabastades liigse energia valguse kujul, mis lõppkokkuvõttes tekitab valgustuse. LED-kiibitehnoloogia põhineb epitaksiaalsetel vahvlitel, kus gaasilised materjalid sadestatakse kiht kihi haaval aluspinnale. Peamised aluspinnamaterjalid on ränialuspinnad, ränikarbiidi aluspinnad ja safiiraluspinnad. Nende hulgas on safiiraluspinnad kahe teise ees olulisi eeliseid, sealhulgas seadme stabiilsus, küps valmistustehnoloogia, nähtava valguse neeldumise puudumine, hea valguse läbilaskvus ja mõõdukas hind. Andmed näitavad, et 80% maailma LED-ettevõtetest kasutab aluspinnamaterjalina safiiri.
Lisaks eelmainitud rakendustele kasutatakse safiirkristalle ka mobiiltelefonide ekraanides, meditsiiniseadmetes, ehete kaunistamisel ja aknamaterjalina mitmesugustele teaduslikele tuvastusvahenditele, näiteks läätsedele ja prismadele.
2. Turu suurus ja väljavaated
Poliitilise toetuse ja LED-kiipide laienevate rakendusvõimaluste tõttu eeldatakse, et safiir-substraatide nõudlus ja nende turu maht kasvavad kahekohalise numbriga. 2025. aastaks prognoositakse safiir-substraatide tarnemahuks 103 miljonit tükki (ümber arvutatuna 4-tollisteks substraatideks), mis on 63% rohkem kui 2021. aastal ja 13% liitkasvumääraga aastatel 2021–2025. Safiir-substraatide turumaht peaks 2025. aastaks ulatuma 8 miljardi jeenini, mis on 108% rohkem kui 2021. aastal ja 20% liitkasvumääraga aastatel 2021–2025. Substraatide „eelkäijana“ on safiirkristallide turu suurus ja kasvutrend ilmsed.
3. Safiirkristallide valmistamine
Alates 1891. aastast, mil prantsuse keemik Verneuil A. leiutas esmakordselt leegisulatusmeetodi tehislike vääriskivide kristallide tootmiseks, on tehislike safiirkristallide kasvu uurimine kestnud üle sajandi. Selle aja jooksul on teaduse ja tehnoloogia areng viinud ulatusliku uurimistööni safiiride kasvutehnikate osas, et rahuldada tööstuslikke nõudmisi kõrgema kristallide kvaliteedi, parema kasutusmäära ja madalamate tootmiskulude järele. Safiirkristallide kasvatamiseks on tekkinud mitmesuguseid uusi meetodeid ja tehnoloogiaid, näiteks Czochralski meetod, Kyropoulose meetod, servapõhine kilekasvatusmeetod (EFG) ja soojusvahetusmeetod (HEM).
3.1 Czochralski meetod safiirkristallide kasvatamiseks
Czochralski meetod, mille teerajajaks oli Czochralski J. 1918. aastal, on tuntud ka kui Czochralski tehnika (lühendatult Cz-meetod). 1964. aastal rakendasid Poladino AE ja Rotter BD seda meetodit esmakordselt safiirkristallide kasvatamiseks. Praeguseks on see tootnud suure hulga kvaliteetseid safiirkristalle. Põhimõte hõlmab tooraine sulatamist sulami moodustamiseks, seejärel monokristalli seemne kastmist sulami pinnale. Tahke ja vedela aine piirpinna temperatuuride erinevuse tõttu toimub ülejahtumine, mille tagajärjel sulam seemne pinnal tahkestub ja hakkab kasvama monokristall, millel on sama kristallstruktuur kui seemnel. Seemet tõmmatakse aeglaselt ülespoole, pöörledes samal ajal teatud kiirusel. Seeme tõmbamisel tahkestub sulam järk-järgult piirpinnal, moodustades monokristalli. See meetod, mis hõlmab kristalli sulamist väljatõmbamist, on üks levinumaid tehnikaid kvaliteetsete monokristallide valmistamiseks.
Czochralski meetodi eeliste hulka kuuluvad: (1) kiire kasvukiirus, mis võimaldab lühikese aja jooksul toota kvaliteetseid monokristalle; (2) kristallid kasvavad sulapinnal ilma tiigli seinaga kokku puutumata, vähendades tõhusalt sisemist pinget ja parandades kristallide kvaliteeti. Selle meetodi peamine puudus on aga raskused suure läbimõõduga kristallide kasvatamisel, mistõttu see ei sobi eriti hästi suurte kristallide tootmiseks.
3.2 Kyropoulose meetod safiirkristallide kasvatamiseks
Kyropoulose meetod, mille Kyropoulos leiutas 1926. aastal (lühendatult KY-meetod), sarnaneb Czochralski meetodiga. See hõlmab seemnekristalli kastmist sulapinnale ja selle aeglast ülespoole tõmbamist, et moodustada kael. Kui tahkumiskiirus sula ja seemne piiril stabiliseerub, seemnekristalli enam ei tõmmata ega pöörata. Selle asemel kontrollitakse jahutuskiirust, et monokristall saaks järk-järgult ülalt alla tahkuda, moodustades lõpuks monokristalli.
Kyropoulose protsess annab kvaliteetseid, madala defektitihedusega, suurte ja soodsa kulutõhususega kristalle.
3.3 Safiirkristallide kasvatamise servapõhine kilekasvatusmeetod (EFG)
EFG meetod on vormitud kristallide kasvatamise tehnoloogia. Selle põhimõte seisneb kõrge sulamistemperatuuriga sulami asetamises vormi. Sulamisaine tõmmatakse kapillaarselt vormi ülaossa, kus see puutub kokku seemnekristalliga. Kui seemnest tõmmatakse ja sulamisaine tahkub, moodustub monokristall. Vormi serva suurus ja kuju piiravad kristalli mõõtmeid. Seetõttu on sellel meetodil teatud piirangud ja see sobib peamiselt vormitud safiirkristallide, näiteks torude ja U-kujuliste profiilide jaoks.
3.4 Soojusvahetusmeetod (HEM) safiirkristallide kasvatamiseks
Suuremõõtmeliste safiirkristallide valmistamise soojusvahetusmeetodi leiutasid Fred Schmid ja Dennis 1967. aastal. HEM-süsteemile on iseloomulik suurepärane soojusisolatsioon, temperatuurigradiendi sõltumatu reguleerimine sulas ja kristallis ning hea juhitavus. See toodab suhteliselt lihtsalt väikese dislokatsiooniga ja suuri safiirkristalle.
HEM-meetodi eeliste hulka kuulub tiigli, kristalli ja küttekeha liikumise puudumine kasvu ajal, mis välistab tõmbetegevused, nagu Kyropoulose ja Czochralski meetodites. See vähendab inimese sekkumist ja väldib mehaanilise liikumise põhjustatud kristallidefekte. Lisaks saab jahutuskiirust kontrollida, et minimeerida termilist pinget ja sellest tulenevaid kristallide pragunemise ja dislokatsioonidefekte. See meetod võimaldab kasvatada suuri kristalle, on suhteliselt lihtne kasutada ja sellel on paljulubavad arenguväljavaated.
Kasutades ära safiirkristallide kasvatamise ja täppistöötluse sügavaid teadmisi, pakub XKH kaitse-, LED- ja optoelektroonikarakenduste jaoks kohandatud safiirplaatide terviklikke lahendusi. Lisaks safiiridele pakume laia valikut kõrgjõudlusega pooljuhtmaterjale, sealhulgas ränikarbiidist (SiC) plaate, räniplaate, SiC-keraamilisi komponente ja kvartsist tooteid. Tagame kõigi materjalide puhul erakordse kvaliteedi, töökindluse ja tehnilise toe, aidates klientidel saavutada läbimurdelist jõudlust täiustatud tööstus- ja teadusrakendustes.
Postituse aeg: 29. august 2025