Os cristais de safira são cultivados a partir de pó de alumina de alta pureza, com pureza superior a 99,995%, o que os torna o material com maior demanda por alumina de alta pureza. Apresentam alta resistência, alta dureza e propriedades químicas estáveis, permitindo seu funcionamento em ambientes extremos, como altas temperaturas, corrosão e impacto. São amplamente utilizados em defesa nacional, tecnologia civil, microeletrônica e outros campos.
Do pó de alumina de alta pureza aos cristais de safira
1Principais aplicações da safira
No setor de defesa, os cristais de safira são usados principalmente em janelas infravermelhas de mísseis. A guerra moderna exige alta precisão em mísseis, e a janela óptica infravermelha é um componente crítico para atender a esse requisito. Considerando que os mísseis sofrem intenso calor aerodinâmico e impacto durante voos em alta velocidade, além de ambientes de combate hostis, o radome deve possuir alta resistência, capacidade de suportar impactos e a erosão causada por areia, chuva e outras condições climáticas severas. Os cristais de safira, com sua excelente transmissão de luz, propriedades mecânicas superiores e características químicas estáveis, tornaram-se um material ideal para janelas infravermelhas de mísseis.
Os substratos de LED representam a maior aplicação da safira. A iluminação LED é considerada a terceira revolução, após as lâmpadas fluorescentes e economizadoras de energia. O princípio dos LEDs envolve a conversão de energia elétrica em energia luminosa. Quando a corrente passa por um semicondutor, lacunas e elétrons se recombinam, liberando o excesso de energia na forma de luz, produzindo, em última instância, iluminação. A tecnologia de chips de LED é baseada em wafers epitaxiais, onde materiais gasosos são depositados camada por camada sobre um substrato. Os principais materiais de substrato incluem substratos de silício, substratos de carbeto de silício e substratos de safira. Dentre esses, os substratos de safira oferecem vantagens significativas em relação aos outros dois, incluindo estabilidade do dispositivo, tecnologia de preparação consolidada, não absorção de luz visível, boa transmitância luminosa e custo moderado. Dados mostram que 80% das empresas globais de LED utilizam safira como material de substrato.
Além das aplicações já mencionadas, os cristais de safira também são utilizados em telas de celulares, dispositivos médicos, decoração de joias e como material para janelas de diversos instrumentos de detecção científica, como lentes e prismas.
2. Tamanho e Perspectivas do Mercado
Impulsionada pelo apoio político e pela expansão dos cenários de aplicação de chips de LED, a demanda por substratos de safira e o tamanho do mercado devem apresentar crescimento de dois dígitos. Até 2025, o volume de remessas de substratos de safira deverá atingir 103 milhões de peças (convertido para substratos de 4 polegadas), representando um aumento de 63% em comparação com 2021, com uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 13% de 2021 a 2025. O tamanho do mercado de substratos de safira deverá atingir ¥8 bilhões até 2025, um aumento de 108% em comparação com 2021, com uma CAGR de 20% de 2021 a 2025. Como "precursor" dos substratos, o tamanho e a tendência de crescimento do mercado de cristais de safira são evidentes.
3. Preparação de Cristais de Safira
Desde 1891, quando o químico francês Verneuil A. inventou o método de fusão por chama para produzir cristais de gemas artificiais pela primeira vez, o estudo do crescimento de cristais de safira artificiais abrange mais de um século. Durante esse período, os avanços na ciência e na tecnologia impulsionaram extensas pesquisas sobre técnicas de crescimento de safira para atender às demandas industriais por maior qualidade de cristal, taxas de utilização aprimoradas e custos de produção reduzidos. Vários novos métodos e tecnologias surgiram para o crescimento de cristais de safira, como o método Czochralski, o método Kyropoulos, o método de crescimento por filme com definição de borda (EFG) e o método de troca de calor (HEM).
3.1 Método Czochralski para o crescimento de cristais de safira
O método Czochralski, pioneiro de Czochralski J. em 1918, também é conhecido como técnica Czochralski (abreviada como método Cz). Em 1964, Poladino A.E. e Rotter B.D. aplicaram pela primeira vez este método para o crescimento de cristais de safira. Até hoje, ele produziu um grande número de cristais de safira de alta qualidade. O princípio envolve a fusão da matéria-prima para formar um líquido fundido e, em seguida, a imersão de uma semente de cristal único na superfície do líquido fundido. Devido à diferença de temperatura na interface sólido-líquido, ocorre o superresfriamento, fazendo com que o líquido fundido se solidifique na superfície da semente e comece a crescer um cristal único com a mesma estrutura cristalina da semente. A semente é puxada lentamente para cima enquanto gira a uma determinada velocidade. À medida que a semente é puxada, o líquido fundido se solidifica gradualmente na interface, formando um cristal único. Este método, que envolve a extração de um cristal do líquido fundido, é uma das técnicas comuns para a preparação de cristais únicos de alta qualidade.
As vantagens do método Czochralski incluem: (1) alta taxa de crescimento, permitindo a produção de monocristais de alta qualidade em um curto período de tempo; (2) os cristais crescem na superfície do metal fundido sem contato com a parede do cadinho, reduzindo efetivamente a tensão interna e melhorando a qualidade dos cristais. No entanto, uma grande desvantagem desse método é a dificuldade em cultivar cristais de grande diâmetro, tornando-o menos adequado para a produção de cristais de grandes dimensões.
3.2 Método Kyropoulos para o Cultivo de Cristais de Safira
O método Kyropoulos, inventado por Kyropoulos em 1926 (abreviado como método KY), apresenta semelhanças com o método Czochralski. Consiste em mergulhar um cristal semente na superfície do metal fundido e puxá-lo lentamente para cima, formando um gargalo. Assim que a taxa de solidificação na interface metal fundido-semente se estabiliza, a semente deixa de ser puxada ou girada. Em vez disso, a taxa de resfriamento é controlada para permitir que o monocristal se solidifique gradualmente de cima para baixo, formando, por fim, um monocristal.
O processo Kyropoulos produz cristais de alta qualidade, baixa densidade de defeitos, grandes dimensões e com uma relação custo-benefício favorável.
3.3 Método de crescimento de cristais de safira por meio de filme alimentado com bordas definidas (EFG)
O método EFG é uma tecnologia de crescimento de cristais com formatos específicos. Seu princípio consiste em colocar um metal fundido com alto ponto de fusão em um molde. O metal fundido é atraído para o topo do molde por ação capilar, onde entra em contato com o cristal semente. À medida que o cristal semente é puxado e o metal fundido se solidifica, um monocristal se forma. O tamanho e o formato da borda do molde restringem as dimensões do cristal. Consequentemente, esse método apresenta certas limitações e é mais adequado para cristais de safira com formatos específicos, como tubos e perfis em forma de U.
3.4 Método de Troca de Calor (HEM) para o Crescimento de Cristais de Safira
O método de troca de calor para a preparação de cristais de safira de grandes dimensões foi inventado por Fred Schmid e Dennis em 1967. O sistema HEM apresenta excelente isolamento térmico, controle independente do gradiente de temperatura na massa fundida e no cristal, e boa controlabilidade. Ele produz cristais de safira com baixa densidade de discordâncias e grandes dimensões com relativa facilidade.
As vantagens do método HEM incluem a ausência de movimento no cadinho, no cristal e no aquecedor durante o crescimento, eliminando ações de tração como as que ocorrem nos métodos Kyropoulos e Czochralski. Isso reduz a interferência humana e evita defeitos no cristal causados por movimento mecânico. Além disso, a taxa de resfriamento pode ser controlada para minimizar o estresse térmico e as consequentes fissuras no cristal e defeitos de deslocamento. Este método permite o crescimento de cristais de grandes dimensões, é relativamente fácil de operar e apresenta perspectivas de desenvolvimento promissoras.
Aproveitando sua vasta experiência em crescimento de cristais de safira e processamento de precisão, a XKH oferece soluções completas e personalizadas em wafers de safira, voltadas para aplicações nas áreas de defesa, LEDs e optoeletrônica. Além da safira, fornecemos uma gama completa de materiais semicondutores de alto desempenho, incluindo wafers de carbeto de silício (SiC), wafers de silício, componentes cerâmicos de SiC e produtos de quartzo. Garantimos qualidade, confiabilidade e suporte técnico excepcionais em todos os materiais, ajudando nossos clientes a alcançarem resultados inovadores em aplicações industriais e de pesquisa avançadas.
Data da publicação: 29/08/2025