I cristalli di zaffiro vengono prodotti a partire da polvere di allumina ad alta purezza con una purezza >99,995%, il che li rende il settore con la maggiore richiesta di allumina ad alta purezza. Presentano elevata resistenza, elevata durezza e proprietà chimiche stabili, consentendo loro di operare in ambienti difficili come alte temperature, corrosione e urti. Sono ampiamente utilizzati nella difesa nazionale, nella tecnologia civile, nella microelettronica e in altri settori.
Dalla polvere di allumina ad alta purezza ai cristalli di zaffiro
1Applicazioni chiave dello zaffiro
Nel settore della difesa, i cristalli di zaffiro sono utilizzati principalmente per le finestre a infrarossi per missili. La guerra moderna richiede un'elevata precisione nei missili e la finestra ottica a infrarossi è un componente fondamentale per soddisfare questo requisito. Considerando che i missili sono sottoposti a intenso calore aerodinamico e impatto durante il volo ad alta velocità, oltre a operare in ambienti di combattimento difficili, il radome deve possedere elevata robustezza, resistenza agli urti e la capacità di resistere all'erosione causata da sabbia, pioggia e altre condizioni meteorologiche avverse. I cristalli di zaffiro, con la loro eccellente trasmissione della luce, le superiori proprietà meccaniche e le caratteristiche chimiche stabili, sono diventati un materiale ideale per le finestre a infrarossi per missili.
I substrati LED rappresentano la più ampia applicazione dello zaffiro. L'illuminazione a LED è considerata la terza rivoluzione dopo le lampade fluorescenti e a risparmio energetico. Il principio dei LED prevede la conversione dell'energia elettrica in energia luminosa. Quando la corrente attraversa un semiconduttore, lacune ed elettroni si combinano, rilasciando l'energia in eccesso sotto forma di luce, producendo infine illuminazione. La tecnologia dei chip LED si basa su wafer epitassiali, in cui materiali gassosi vengono depositati strato per strato su un substrato. I principali materiali per i substrati includono substrati di silicio, substrati di carburo di silicio e substrati di zaffiro. Tra questi, i substrati di zaffiro offrono vantaggi significativi rispetto agli altri due, tra cui stabilità del dispositivo, tecnologia di preparazione matura, non assorbimento della luce visibile, buona trasmittanza luminosa e costi contenuti. I dati mostrano che l'80% delle aziende globali produttrici di LED utilizza lo zaffiro come materiale per i propri substrati.
Oltre alle applicazioni sopra menzionate, i cristalli di zaffiro vengono utilizzati anche negli schermi dei telefoni cellulari, nei dispositivi medici, nella decorazione di gioielli e come materiali per finestre di vari strumenti di rilevamento scientifico, come lenti e prismi.
2. Dimensioni e prospettive del mercato
Grazie al sostegno politico e all'espansione degli scenari applicativi dei chip LED, si prevede che la domanda di substrati in zaffiro e le dimensioni del loro mercato cresceranno a due cifre. Entro il 2025, si prevede che il volume di spedizione dei substrati in zaffiro raggiungerà i 103 milioni di pezzi (convertiti in substrati da 4 pollici), con un aumento del 63% rispetto al 2021, con un tasso di crescita annuo composto (CAGR) del 13% dal 2021 al 2025. Si prevede che le dimensioni del mercato dei substrati in zaffiro raggiungeranno gli 8 miliardi di yen entro il 2025, con un aumento del 108% rispetto al 2021, con un CAGR del 20% dal 2021 al 2025. In quanto "precursore" dei substrati, le dimensioni del mercato e il trend di crescita dei cristalli di zaffiro sono evidenti.
3. Preparazione dei cristalli di zaffiro
Dal 1891, anno in cui il chimico francese Verneuil A. inventò il metodo di fusione a fiamma per produrre per la prima volta cristalli di gemme artificiali, lo studio della crescita artificiale dei cristalli di zaffiro ha attraversato oltre un secolo. Durante questo periodo, i progressi scientifici e tecnologici hanno spinto a un'ampia ricerca sulle tecniche di crescita dello zaffiro per soddisfare la domanda industriale di una maggiore qualità dei cristalli, migliori tassi di utilizzo e costi di produzione ridotti. Sono emersi diversi nuovi metodi e tecnologie per la crescita dei cristalli di zaffiro, come il metodo Czochralski, il metodo Kyropoulos, il metodo di crescita con film a bordi definiti (EFG) e il metodo di scambio termico (HEM).
3.1 Metodo Czochralski per la coltivazione di cristalli di zaffiro
Il metodo Czochralski, introdotto da Czochralski J. nel 1918, è noto anche come tecnica Czochralski (abbreviata in metodo Cz). Nel 1964, Poladino AE e Rotter BD applicarono per primi questo metodo alla crescita di cristalli di zaffiro. Ad oggi, ha prodotto un gran numero di cristalli di zaffiro di alta qualità. Il principio prevede la fusione della materia prima per formare una massa fusa, quindi l'immersione di un seme monocristallino nella superficie della massa fusa. A causa della differenza di temperatura all'interfaccia solido-liquido, si verifica un sottoraffreddamento, che fa sì che la massa fusa si solidifichi sulla superficie del seme e inizi a crescere un monocristallo con la stessa struttura cristallina del seme. Il seme viene lentamente tirato verso l'alto ruotando a una certa velocità. Man mano che il seme viene tirato, la massa fusa si solidifica gradualmente all'interfaccia, formando un monocristallo. Questo metodo, che prevede l'estrazione di un cristallo dalla massa fusa, è una delle tecniche più comuni per la preparazione di monocristalli di alta qualità.
I vantaggi del metodo Czochralski includono: (1) un tasso di crescita rapido, che consente la produzione di monocristalli di alta qualità in tempi brevi; (2) i cristalli crescono sulla superficie del fuso senza contatto con la parete del crogiolo, riducendo efficacemente lo stress interno e migliorando la qualità dei cristalli. Tuttavia, uno svantaggio importante di questo metodo è la difficoltà nella crescita di cristalli di grande diametro, che lo rende meno adatto alla produzione di cristalli di grandi dimensioni.
3.2 Metodo Kyropoulos per la coltivazione di cristalli di zaffiro
Il metodo Kyropoulos, inventato da Kyropoulos nel 1926 (abbreviato in metodo KY), presenta alcune somiglianze con il metodo Czochralski. Consiste nell'immergere un seme di cristallo nella superficie del fuso e tirarlo lentamente verso l'alto per formare un collo. Una volta che la velocità di solidificazione all'interfaccia fuso-seme si stabilizza, il seme non viene più tirato o ruotato. Invece, la velocità di raffreddamento viene controllata per consentire al monocristallo di solidificare gradualmente dall'alto verso il basso, formando infine un monocristallo.
Il processo Kyropoulos produce cristalli di alta qualità, bassa densità di difetti, grandi dimensioni e con un rapporto costo-efficacia favorevole.
3.3 Metodo di crescita tramite pellicola definita dai bordi (EFG) per la crescita di cristalli di zaffiro
Il metodo EFG è una tecnologia di crescita di cristalli sagomati. Il suo principio prevede il posizionamento di un materiale fuso ad alto punto di fusione in uno stampo. Il materiale fuso viene attirato verso la parte superiore dello stampo per capillarità, dove entra in contatto con il cristallo di radicazione. Man mano che il cristallo di radicazione viene estratto e il materiale fuso si solidifica, si forma un monocristallo. Le dimensioni e la forma del bordo dello stampo limitano le dimensioni del cristallo. Di conseguenza, questo metodo presenta alcune limitazioni ed è adatto principalmente per cristalli di zaffiro sagomati come tubi e profili a U.
3.4 Metodo di scambio termico (HEM) per la crescita di cristalli di zaffiro
Il metodo di scambio termico per la preparazione di cristalli di zaffiro di grandi dimensioni è stato inventato da Fred Schmid e Dennis nel 1967. Il sistema HEM offre un eccellente isolamento termico, un controllo indipendente del gradiente di temperatura nella massa fusa e nel cristallo e una buona controllabilità. Produce con relativa facilità cristalli di zaffiro con bassa dislocazione e grandi dimensioni.
I vantaggi del metodo HEM includono l'assenza di movimento nel crogiolo, nel cristallo e nel riscaldatore durante la crescita, eliminando azioni di trazione come quelle dei metodi Kyropoulos e Czochralski. Ciò riduce l'interferenza umana ed evita difetti cristallini causati da movimenti meccanici. Inoltre, la velocità di raffreddamento può essere controllata per ridurre al minimo lo stress termico e le conseguenti cricche cristalline e difetti di dislocazione. Questo metodo consente la crescita di cristalli di grandi dimensioni, è relativamente facile da usare e offre promettenti prospettive di sviluppo.
Grazie alla nostra profonda competenza nella crescita del cristallo di zaffiro e nella lavorazione di precisione, XKH fornisce soluzioni end-to-end personalizzate per wafer di zaffiro, studiate appositamente per applicazioni nei settori della difesa, dei LED e dell'optoelettronica. Oltre allo zaffiro, forniamo una gamma completa di materiali semiconduttori ad alte prestazioni, tra cui wafer in carburo di silicio (SiC), wafer in silicio, componenti ceramici in SiC e prodotti al quarzo. Garantiamo qualità, affidabilità e supporto tecnico eccezionali per tutti i materiali, aiutando i clienti a raggiungere prestazioni rivoluzionarie in applicazioni industriali e di ricerca avanzate.
Data di pubblicazione: 29-08-2025