Tinh thể sapphire được chế tạo từ bột nhôm oxit có độ tinh khiết cao >99,995%, khiến chúng trở thành lĩnh vực có nhu cầu lớn nhất về nhôm oxit có độ tinh khiết cao. Chúng thể hiện độ bền cao, độ cứng cao và các đặc tính hóa học ổn định, cho phép hoạt động trong các môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao, ăn mòn và va đập. Chúng được sử dụng rộng rãi trong quốc phòng, công nghệ dân dụng, vi điện tử và các lĩnh vực khác.
Từ bột nhôm oxit có độ tinh khiết cao đến tinh thể sapphire
1. Các ứng dụng chính của Sapphire
Trong lĩnh vực quốc phòng, tinh thể sapphire chủ yếu được sử dụng cho cửa sổ hồng ngoại tên lửa. Chiến tranh hiện đại đòi hỏi độ chính xác cao của tên lửa, và cửa sổ quang học hồng ngoại là một thành phần quan trọng để đạt được yêu cầu này. Do tên lửa phải chịu nhiệt độ khí động học và va chạm mạnh trong quá trình bay tốc độ cao, cùng với môi trường chiến đấu khắc nghiệt, mái che radar phải có độ bền cao, khả năng chống va đập và khả năng chống xói mòn do cát, mưa và các điều kiện thời tiết khắc nghiệt khác. Tinh thể sapphire, với khả năng truyền sáng tuyệt vời, đặc tính cơ học vượt trội và đặc tính hóa học ổn định, đã trở thành vật liệu lý tưởng cho cửa sổ hồng ngoại tên lửa.
Đế đèn LED đại diện cho ứng dụng lớn nhất của sapphire. Chiếu sáng LED được coi là cuộc cách mạng thứ ba sau đèn huỳnh quang và đèn tiết kiệm năng lượng. Nguyên lý hoạt động của đèn LED liên quan đến việc chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng. Khi dòng điện chạy qua chất bán dẫn, các lỗ trống và electron kết hợp với nhau, giải phóng năng lượng dư thừa dưới dạng ánh sáng, cuối cùng tạo ra ánh sáng. Công nghệ chip LED dựa trên các tấm wafer epitaxial, trong đó các vật liệu khí được lắng đọng từng lớp lên đế. Các vật liệu đế chính bao gồm đế silicon, đế silicon carbide và đế sapphire. Trong số đó, đế sapphire có những ưu điểm đáng kể so với hai loại còn lại, bao gồm độ ổn định của thiết bị, công nghệ chế tạo hoàn thiện, không hấp thụ ánh sáng khả kiến, khả năng truyền sáng tốt và chi phí vừa phải. Dữ liệu cho thấy 80% các công ty LED toàn cầu sử dụng sapphire làm vật liệu đế.
Ngoài các ứng dụng đã đề cập ở trên, tinh thể sapphire còn được sử dụng trong màn hình điện thoại di động, thiết bị y tế, trang trí đồ trang sức và làm vật liệu cửa sổ cho nhiều thiết bị phát hiện khoa học như thấu kính và lăng kính.
2. Quy mô thị trường và triển vọng
Nhờ sự hỗ trợ của chính sách và các kịch bản ứng dụng mở rộng của chip LED, nhu cầu về tấm nền sapphire và quy mô thị trường của chúng dự kiến sẽ đạt mức tăng trưởng hai chữ số. Đến năm 2025, khối lượng vận chuyển tấm nền sapphire dự kiến sẽ đạt 103 triệu chiếc (quy đổi thành tấm nền 4 inch), tăng 63% so với năm 2021, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 13% từ năm 2021 đến năm 2025. Quy mô thị trường của tấm nền sapphire dự kiến sẽ đạt 8 tỷ Yên vào năm 2025, tăng 108% so với năm 2021, với CAGR là 20% từ năm 2021 đến năm 2025. Là "tiền thân" của tấm nền, quy mô thị trường và xu hướng tăng trưởng của tinh thể sapphire là rõ ràng.
3. Chuẩn bị tinh thể Sapphire
Kể từ năm 1891, khi nhà hóa học người Pháp Verneuil A. phát minh ra phương pháp nung chảy ngọn lửa để sản xuất tinh thể đá quý nhân tạo lần đầu tiên, nghiên cứu về sự phát triển của tinh thể sapphire nhân tạo đã kéo dài hơn một thế kỷ. Trong giai đoạn này, những tiến bộ trong khoa học và công nghệ đã thúc đẩy nghiên cứu sâu rộng về các kỹ thuật phát triển sapphire nhằm đáp ứng nhu cầu công nghiệp về chất lượng tinh thể cao hơn, tỷ lệ sử dụng được cải thiện và chi phí sản xuất giảm. Nhiều phương pháp và công nghệ mới đã xuất hiện để phát triển tinh thể sapphire, chẳng hạn như phương pháp Czochralski, phương pháp Kyropoulos, phương pháp phát triển màng phim định hình cạnh (EFG) và phương pháp trao đổi nhiệt (HEM).
3.1 Phương pháp Czochralski để nuôi cấy tinh thể Sapphire
Phương pháp Czochralski, do Czochralski J. tiên phong vào năm 1918, còn được gọi là kỹ thuật Czochralski (viết tắt là phương pháp Cz). Năm 1964, Poladino AE và Rotter BD lần đầu tiên áp dụng phương pháp này để nuôi tinh thể sapphire. Cho đến nay, phương pháp này đã sản xuất được một số lượng lớn tinh thể sapphire chất lượng cao. Nguyên lý bao gồm việc nấu chảy nguyên liệu thô để tạo thành khối nóng chảy, sau đó nhúng một hạt tinh thể đơn vào bề mặt nóng chảy. Do chênh lệch nhiệt độ tại giao diện rắn-lỏng, quá trình siêu lạnh xảy ra, khiến khối nóng chảy đông đặc trên bề mặt hạt và bắt đầu phát triển một tinh thể đơn có cấu trúc tinh thể giống như hạt. Hạt được kéo từ từ lên trên trong khi quay với một tốc độ nhất định. Khi hạt được kéo, khối nóng chảy dần dần đông đặc tại giao diện, tạo thành một tinh thể đơn. Phương pháp này, bao gồm việc kéo một tinh thể ra khỏi khối nóng chảy, là một trong những kỹ thuật phổ biến để chế tạo các tinh thể đơn chất lượng cao.
Ưu điểm của phương pháp Czochralski bao gồm: (1) tốc độ tăng trưởng nhanh, cho phép sản xuất các tinh thể đơn chất lượng cao trong thời gian ngắn; (2) tinh thể phát triển trên bề mặt nóng chảy mà không tiếp xúc với thành nồi nấu, giúp giảm ứng suất bên trong và cải thiện chất lượng tinh thể một cách hiệu quả. Tuy nhiên, nhược điểm lớn của phương pháp này là khó nuôi các tinh thể có đường kính lớn, khiến nó không phù hợp để sản xuất các tinh thể kích thước lớn.
3.2 Phương pháp Kyropoulos để nuôi cấy tinh thể Sapphire
Phương pháp Kyropoulos, được Kyropoulos phát minh năm 1926 (viết tắt là phương pháp KY), có những điểm tương đồng với phương pháp Czochralski. Phương pháp này bao gồm việc nhúng một tinh thể mầm vào bề mặt nóng chảy và từ từ kéo nó lên trên để tạo thành một cổ chai. Khi tốc độ đông đặc tại giao diện nóng chảy-hạt mầm ổn định, hạt mầm không còn bị kéo hoặc xoay nữa. Thay vào đó, tốc độ làm nguội được kiểm soát để cho phép tinh thể đơn đông đặc dần dần từ trên xuống dưới, cuối cùng tạo thành một tinh thể đơn.
Quy trình Kyropoulos tạo ra các tinh thể có chất lượng cao, mật độ khuyết tật thấp, kích thước lớn và hiệu quả về chi phí.
3.3 Phương pháp nuôi cấy màng định hình cạnh (EFG) để nuôi cấy tinh thể Sapphire
Phương pháp EFG là công nghệ nuôi tinh thể định hình. Nguyên lý của nó bao gồm việc đặt một khối nóng chảy có nhiệt độ nóng chảy cao vào khuôn. Khối nóng chảy được kéo lên đỉnh khuôn thông qua hiện tượng mao dẫn, tại đó nó tiếp xúc với tinh thể mầm. Khi khối nóng chảy được kéo ra và đông đặc lại, một tinh thể đơn được hình thành. Kích thước và hình dạng của cạnh khuôn hạn chế kích thước tinh thể. Do đó, phương pháp này có một số hạn chế nhất định và chủ yếu phù hợp với các tinh thể sapphire định hình như ống và hình chữ U.
3.4 Phương pháp trao đổi nhiệt (HEM) để nuôi cấy tinh thể Sapphire
Phương pháp trao đổi nhiệt để chế tạo tinh thể sapphire cỡ lớn được Fred Schmid và Dennis phát minh vào năm 1967. Hệ thống HEM có khả năng cách nhiệt tuyệt vời, kiểm soát độc lập sự chênh lệch nhiệt độ giữa khối nóng chảy và tinh thể, và khả năng kiểm soát tốt. Phương pháp này tương đối dễ dàng sản xuất tinh thể sapphire với độ lệch vị trí thấp và kích thước lớn.
Ưu điểm của phương pháp HEM bao gồm việc không có chuyển động trong nồi nấu, tinh thể và lò sưởi trong quá trình nuôi cấy, loại bỏ các tác động kéo như trong phương pháp Kyropoulos và Czochralski. Điều này làm giảm sự can thiệp của con người và tránh các khuyết tật tinh thể do chuyển động cơ học. Ngoài ra, tốc độ làm nguội có thể được kiểm soát để giảm thiểu ứng suất nhiệt và các khuyết tật nứt vỡ và lệch vị trí tinh thể. Phương pháp này cho phép nuôi cấy các tinh thể kích thước lớn, tương đối dễ vận hành và có triển vọng phát triển đầy hứa hẹn.
Tận dụng chuyên môn sâu rộng về phát triển tinh thể sapphire và gia công chính xác, XKH cung cấp các giải pháp wafer sapphire tùy chỉnh toàn diện, phù hợp với các ứng dụng quốc phòng, LED và quang điện tử. Ngoài sapphire, chúng tôi còn cung cấp đầy đủ các loại vật liệu bán dẫn hiệu suất cao, bao gồm wafer silicon carbide (SiC), wafer silicon, linh kiện gốm SiC và các sản phẩm thạch anh. Chúng tôi đảm bảo chất lượng, độ tin cậy và hỗ trợ kỹ thuật vượt trội trên tất cả các loại vật liệu, giúp khách hàng đạt được hiệu suất đột phá trong các ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu tiên tiến.
Thời gian đăng: 29-08-2025