Saphirkristalle werden aus hochreinem Aluminiumoxidpulver mit einem Reinheitsgrad von >99,995 % gezüchtet und stellen daher den größten Bedarf an hochreinem Aluminiumoxid dar. Sie zeichnen sich durch hohe Festigkeit, Härte und chemische Stabilität aus und eignen sich daher für den Einsatz unter extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen, Korrosion und Stößen. Sie finden breite Anwendung in der Landesverteidigung, der zivilen Technologie, der Mikroelektronik und weiteren Bereichen.
Von hochreinem Aluminiumoxidpulver bis zu Saphirkristallen
1Wichtigste Anwendungsgebiete von Saphir
Im Verteidigungssektor werden Saphirkristalle hauptsächlich für Infrarotfenster von Raketen eingesetzt. Moderne Kriegsführung erfordert höchste Präzision bei Raketen, und das Infrarotfenster ist eine entscheidende Komponente, um diese Anforderung zu erfüllen. Da Raketen während des Hochgeschwindigkeitsfluges intensiver aerodynamischer Hitze und Stößen sowie rauen Kampfbedingungen ausgesetzt sind, muss die Radarkuppel hohe Festigkeit, Stoßfestigkeit und Beständigkeit gegenüber Erosion durch Sand, Regen und andere extreme Witterungsbedingungen aufweisen. Saphirkristalle mit ihrer exzellenten Lichtdurchlässigkeit, ihren überlegenen mechanischen Eigenschaften und ihrer chemischen Stabilität haben sich als ideales Material für Infrarotfenster von Raketen erwiesen.
LED-Substrate stellen die größte Anwendung von Saphir dar. Die LED-Beleuchtung gilt nach Leuchtstoff- und Energiesparlampen als dritte revolutionäre Technologie. Das Funktionsprinzip von LEDs beruht auf der Umwandlung von elektrischer Energie in Lichtenergie. Wenn Strom durch einen Halbleiter fließt, rekombinieren Elektronen und Löcher und setzen dabei überschüssige Energie in Form von Licht frei, wodurch letztendlich Beleuchtung entsteht. Die LED-Chip-Technologie basiert auf Epitaxie-Wafern, bei denen gasförmige Materialien Schicht für Schicht auf ein Substrat aufgebracht werden. Zu den wichtigsten Substratmaterialien zählen Silizium-, Siliziumkarbid- und Saphirsubstrate. Saphirsubstrate bieten gegenüber den anderen beiden Substraten erhebliche Vorteile, darunter Gerätestabilität, ausgereifte Herstellungstechnologie, keine Absorption von sichtbarem Licht, gute Lichtdurchlässigkeit und moderate Kosten. Daten zeigen, dass 80 % der weltweiten LED-Hersteller Saphir als Substratmaterial verwenden.
Neben den bereits erwähnten Anwendungen werden Saphirkristalle auch in Handybildschirmen, medizinischen Geräten, Schmuckdekorationen und als Fenstermaterialien für verschiedene wissenschaftliche Detektionsinstrumente wie Linsen und Prismen verwendet.
2. Marktgröße und -aussichten
Angetrieben durch politische Förderprogramme und die zunehmenden Anwendungsbereiche von LED-Chips, wird für Saphirsubstrate und deren Marktgröße ein zweistelliges Wachstum erwartet. Bis 2025 soll das Liefervolumen von Saphirsubstraten 103 Millionen Stück (umgerechnet auf 4-Zoll-Substrate) erreichen, was einem Anstieg von 63 % gegenüber 2021 entspricht. Die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) wird von 2021 bis 2025 bei 13 % liegen. Der Markt für Saphirsubstrate wird bis 2025 voraussichtlich 8 Milliarden Yen erreichen, ein Plus von 108 % gegenüber 2021, mit einer CAGR von 20 % von 2021 bis 2025. Als Vorstufe von Substraten sind die Marktgröße und der Wachstumstrend von Saphirkristallen deutlich erkennbar.
3. Herstellung von Saphirkristallen
Seit 1891, als der französische Chemiker Verneuil A. erstmals das Flammenfusionsverfahren zur Herstellung künstlicher Edelsteinkristalle erfand, erstreckt sich die Erforschung des künstlichen Saphirwachstums über mehr als ein Jahrhundert. In diesem Zeitraum haben Fortschritte in Wissenschaft und Technik die Forschung an Saphirzüchtungstechniken intensiv vorangetrieben, um den industriellen Anforderungen an höhere Kristallqualität, verbesserte Ausbeute und geringere Produktionskosten gerecht zu werden. Verschiedene neue Methoden und Technologien zur Saphirzüchtung sind entstanden, darunter das Czochralski-Verfahren, das Kyropoulos-Verfahren, das EFG-Verfahren (Edge-Defined Film-Fed Growth) und das HEM-Verfahren (Heat Exchange Method).
3.1 Czochralski-Verfahren zur Züchtung von Saphirkristallen
Das Czochralski-Verfahren, 1918 von J. Czochralski entwickelt, ist auch als Czochralski-Technik (kurz: Cz-Verfahren) bekannt. 1964 wandten A. E. Poladino und B. D. Rotter dieses Verfahren erstmals zur Züchtung von Saphirkristallen an. Bis heute wurden damit zahlreiche hochwertige Saphirkristalle hergestellt. Das Prinzip besteht darin, das Rohmaterial zu schmelzen und einen Einkristallkeim in die Schmelze einzutauchen. Aufgrund des Temperaturunterschieds an der Fest-Flüssig-Grenzfläche kommt es zu Unterkühlung. Dadurch erstarrt die Schmelze auf der Oberfläche des Keims und es beginnt ein Einkristall mit der gleichen Kristallstruktur wie der Keim zu wachsen. Der Keim wird unter Rotation langsam nach oben gezogen. Während des Ziehens erstarrt die Schmelze an der Grenzfläche allmählich und bildet einen Einkristall. Dieses Verfahren, bei dem ein Kristall aus der Schmelze gezogen wird, ist eine der gängigen Techniken zur Herstellung hochwertiger Einkristalle.
Zu den Vorteilen des Czochralski-Verfahrens zählen: (1) die hohe Wachstumsrate, die die Herstellung hochwertiger Einkristalle in kurzer Zeit ermöglicht; (2) das Kristallwachstum an der Schmelzoberfläche ohne Kontakt zur Tiegelwand, wodurch innere Spannungen effektiv reduziert und die Kristallqualität verbessert werden. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch die Schwierigkeit, Kristalle mit großem Durchmesser zu züchten, wodurch es sich weniger für die Herstellung großer Kristalle eignet.
3.2 Kyropoulos-Verfahren zur Züchtung von Saphirkristallen
Das von Kyropoulos 1926 erfundene Kyropoulos-Verfahren (kurz: KY-Verfahren) weist Ähnlichkeiten mit dem Czochralski-Verfahren auf. Dabei wird ein Impfkristall in die Schmelze eingetaucht und langsam nach oben gezogen, um einen Hals zu bilden. Sobald sich die Erstarrungsgeschwindigkeit an der Grenzfläche zwischen Schmelze und Impfkristall stabilisiert hat, wird der Impfkristall nicht mehr gezogen oder gedreht. Stattdessen wird die Abkühlgeschwindigkeit so gesteuert, dass der Einkristall allmählich von oben nach unten erstarrt und schließlich einen Einkristall bildet.
Das Kyropoulos-Verfahren erzeugt Kristalle mit hoher Qualität, geringer Defektdichte, großer Größe und günstiger Kosteneffizienz.
3.3 Kantendefiniertes Filmwachstumsverfahren (EFG) zur Züchtung von Saphirkristallen
Das EFG-Verfahren ist eine Technologie zur Züchtung geformter Kristalle. Dabei wird eine hochschmelzende Schmelze in eine Form gegeben. Durch Kapillarwirkung steigt die Schmelze nach oben, wo sie mit dem Impfkristall in Kontakt kommt. Beim Herausziehen des Impfkristalls und der damit einhergehenden Erstarrung der Schmelze bildet sich ein Einkristall. Größe und Form des Formrandes begrenzen die Kristallabmessungen. Daher hat dieses Verfahren gewisse Einschränkungen und eignet sich hauptsächlich für geformte Saphirkristalle wie Röhren und U-förmige Profile.
3.4 Wärmeaustauschverfahren (HEM) zur Züchtung von Saphirkristallen
Das Wärmeaustauschverfahren zur Herstellung großformatiger Saphirkristalle wurde 1967 von Fred Schmid und Dennis erfunden. Das HEM-System zeichnet sich durch hervorragende Wärmedämmung, unabhängige Steuerung des Temperaturgradienten in Schmelze und Kristall sowie gute Regelbarkeit aus. Es ermöglicht die relativ einfache Herstellung von Saphirkristallen mit geringer Versetzungsdichte und großer Korngröße.
Zu den Vorteilen des HEM-Verfahrens gehört, dass sich Tiegel, Kristall und Heizelement während des Wachstums nicht bewegen. Dadurch entfallen Zugkräfte, wie sie beispielsweise beim Kyropoulos- und Czochralski-Verfahren auftreten. Dies reduziert menschliche Eingriffe und vermeidet durch mechanische Bewegungen verursachte Kristallfehler. Zudem lässt sich die Abkühlrate steuern, um thermische Spannungen und die daraus resultierenden Kristallrisse und Versetzungsdefekte zu minimieren. Das Verfahren ermöglicht das Wachstum großer Kristalle, ist relativ einfach anzuwenden und bietet vielversprechende Entwicklungsperspektiven.
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Veröffentlichungsdatum: 29. August 2025