הקונה הגדול ביותר של אלומינה בעלת טוהר גבוה: כמה אתה יודע על ספיר?

גבישי ספיר מגודלים מאבקת אלומינה בעלת טוהר גבוה וטוהר של מעל 99.995%, מה שהופך אותם לאזור הביקוש הגדול ביותר לאלומינה בעלת טוהר גבוה. הם מפגינים חוזק גבוה, קשיות גבוהה ותכונות כימיות יציבות, המאפשרות להם לפעול בסביבות קשות כמו טמפרטורות גבוהות, קורוזיה ופגיעות. הם נמצאים בשימוש נרחב בהגנה לאומית, טכנולוגיה אזרחית, מיקרואלקטרוניקה ותחומים אחרים.

מאבקת אלומינה בעלת טוהר גבוה ועד גבישי ספיר

1יישומים עיקריים של ספיר 

במגזר הביטחון, גבישי ספיר משמשים בעיקר לחלונות אינפרא אדום של טילים. לוחמה מודרנית דורשת דיוק גבוה בטילים, וחלון אופטי אינפרא אדום הוא מרכיב קריטי להשגת דרישה זו. בהתחשב בכך שטילים חווים חום אווירודינמי עז ופגיעה במהלך טיסה במהירות גבוהה, יחד עם סביבות לחימה קשות, הראדום חייב להיות בעל חוזק גבוה, עמידות בפני פגיעות ויכולת לעמוד בפני שחיקה מחול, גשם ותנאי מזג אוויר קשים אחרים. גבישי ספיר, עם העברת האור המעולה שלהם, תכונות מכניות מעולות ומאפיינים כימיים יציבים, הפכו לחומר אידיאלי לחלונות אינפרא אדום של טילים.

מצעי LED מייצגים את היישום הנרחב ביותר של ספיר. תאורת LED נחשבת למהפכה השלישית לאחר מנורות פלורסנט ומנורות חסכוניות באנרגיה. עקרון ה-LED כרוך בהמרת אנרגיה חשמלית לאנרגיית אור. כאשר זרם עובר דרך מוליך למחצה, חורים ואלקטרונים מתאחדים, משחררים אנרגיה עודפת בצורת אור, ובסופו של דבר מייצרים תאורה. טכנולוגיית שבבי LED מבוססת על פרוסות אפיטקסיאליות, שבהן חומרים גזיים מופקדים שכבה אחר שכבה על גבי מצע. חומרי המצע העיקריים כוללים מצעי סיליקון, מצעי סיליקון קרביד ומצעי ספיר. בין אלה, מצעי ספיר מציעים יתרונות משמעותיים על פני שני האחרים, כולל יציבות המכשיר, טכנולוגיית הכנה בוגרת, אי ספיגת אור נראה, העברת אור טובה ועלות מתונה. נתונים מראים כי 80% מחברות ה-LED העולמיות משתמשות בספיר כחומר המצע שלהן.

בנוסף ליישומים הנ"ל, גבישי ספיר משמשים גם במסכי טלפונים ניידים, מכשירים רפואיים, קישוטי תכשיטים, וכחומרי חלון עבור מכשירי גילוי מדעיים שונים כגון עדשות ומנסרות.

2. גודל השוק וסיכויי השוק

בהתבסס על תמיכה במדיניות ותרחישי היישומים המתרחבים של שבבי LED, הביקוש למצעי ספיר וגודל השוק שלהם צפויים להשיג צמיחה דו-ספרתית. עד שנת 2025, נפח המשלוחים של מצעי ספיר צפוי להגיע ל-103 מיליון יחידות (המרה למצעים בגודל 4 אינץ'), המייצג עלייה של 63% בהשוואה לשנת 2021, עם קצב צמיחה שנתי מצטבר (CAGR) של 13% בין 2021 ל-2025. גודל השוק של מצעי ספיר צפוי להגיע ל-8 מיליארד ין עד 2025, עלייה של 108% בהשוואה לשנת 2021, עם קצב צמיחה שנתי מצטבר של 20% בין 2021 ל-2025. כ"מבשר" של מצעים, גודל השוק ומגמת הצמיחה של גבישי ספיר ניכרים.

3. הכנת גבישי ספיר

מאז 1891, כאשר הכימאי הצרפתי ורניי א. המציא את שיטת היתוך הלהבה לייצור גבישי אבני חן מלאכותיים בפעם הראשונה, מחקר גידול גבישי ספיר מלאכותיים נמשך למעלה ממאה שנה. במהלך תקופה זו, התקדמות במדע ובטכנולוגיה הובילה למחקר נרחב בטכניקות גידול ספיר כדי לעמוד בדרישות התעשייתיות לאיכות גבישים גבוהה יותר, שיעורי ניצול משופרים והפחתת עלויות ייצור. שיטות וטכנולוגיות חדשות שונות צצו לגידול גבישי ספיר, כגון שיטת צ'וכרלסקי, שיטת קירופולוס, שיטת גידול סרט מוגדר קצה (EFG) ושיטת חילופי חום (HEM).

3.1 שיטת צ'וכרלסקי לגידול גבישי ספיר
שיטת צ'וכרלסקי, שפותחה על ידי ג'יי צ'וכרלסקי בשנת 1918, ידועה גם בשם טכניקת צ'וכרלסקי (בקיצור שיטת Cz). בשנת 1964, פולאדינו AE ורוטר BD יישמו לראשונה שיטה זו לגידול גבישי ספיר. עד היום, היא ייצרה מספר רב של גבישי ספיר באיכות גבוהה. העיקרון כרוך בהיתוך חומר הגלם ליצירת מותך, ולאחר מכן טבילת זרע גביש בודד לתוך פני השטח של המותך. עקב הפרש הטמפרטורות בממשק מוצק-נוזל, מתרחש קירור-על, הגורם למותך להתמצק על פני השטח של הזרע ולהתחיל לגדל גביש בודד בעל מבנה גבישי זהה לזרע. הזרע נמשך לאט כלפי מעלה תוך כדי סיבוב במהירות מסוימת. כאשר הזרע נמשך, המותך מתמצק בהדרגה בממשק, ויוצר גביש בודד. שיטה זו, הכוללת משיכת גביש מהמותך, היא אחת הטכניקות הנפוצות להכנת גבישים בודד באיכות גבוהה.

יתרונותיה של שיטת צ'וכרלסקי כוללים: (1) קצב גידול מהיר, המאפשר ייצור גבישים בודדים באיכות גבוהה בזמן קצר; (2) גבישים גדלים על פני השטח של המותך ללא מגע עם דופן כור ההיתוך, מה שמפחית ביעילות את הלחץ הפנימי ומשפר את איכות הגביש. עם זאת, חיסרון עיקרי של שיטה זו הוא הקושי בגידול גבישים בקוטר גדול, מה שהופך אותה לפחות מתאימה לייצור גבישים גדולים.

3.2 שיטת קירופולוס לגידול גבישי ספיר

שיטת קירופולוס, שהומצאה על ידי קירופולוס בשנת 1926 (בקיצור שיטת KY), חולקת קווי דמיון עם שיטת צ'וכרלסקי. היא כוללת טבילת גביש זרעים במשטח ההיתוך ומשיכתו האיטית כלפי מעלה ליצירת צוואר. לאחר שקצב ההתמצקות בממשק ההיתוך-זרע מתייצב, הזרע אינו נמשך או מסובב עוד. במקום זאת, קצב הקירור נשלט כדי לאפשר לגביש היחיד להתמצק בהדרגה מלמעלה כלפי מטה, ובסופו של דבר ליצור גביש יחיד.

תהליך קירופולוס מייצר גבישים באיכות גבוהה, צפיפות פגמים נמוכה, רמת עלות גבוהה וחסכונית גבוהה.

3.3 שיטת צמיחה באמצעות הזנת סרט קצה (EFG) לגידול גבישי ספיר
שיטת EFG היא טכנולוגיית גידול גבישים מעוצבים. העיקרון שלה כרוך בהכנסת גביש ספיר בעל נקודת התכה גבוהה לתוך תבנית. הגלם נמשך לראש התבנית באמצעות פעולה נימית, שם הוא בא במגע עם גביש הזרעים. כאשר הגלם נמשך והגביש מתמצק, נוצר גביש יחיד. גודל וצורת קצה התבנית מגבילים את ממדי הגביש. כתוצאה מכך, לשיטה זו יש מגבלות מסוימות והיא מתאימה בעיקר לגבישי ספיר מעוצבים כגון צינורות ופרופילים בצורת U.

3.4 שיטת חילופי חום (HEM) לגידול גבישי ספיר
שיטת חילופי החום להכנת גבישי ספיר גדולים הומצאה על ידי פרד שמיד ודניס בשנת 1967. מערכת ה-HEM כוללת בידוד תרמי מעולה, שליטה עצמאית במפל הטמפרטורה בהתכה ובגביש, ובקרה טובה. היא מייצרת בקלות יחסית גבישי ספיר עם תזוזה נמוכה וגודל גדול.

יתרונות שיטת HEM כוללים את היעדר התנועה בכור היתוך, בגביש ובגוף החימום במהלך הגידול, ובכך מבטלים פעולות משיכה כמו אלו שבשיטות קירופולוס וצ'וכרלסקי. זה מפחית התערבות אנושית ומונע פגמים בגביש הנגרמים מתנועה מכנית. בנוסף, ניתן לשלוט בקצב הקירור כדי למזער את הלחץ התרמי ואת פגמי הסדקים והתזוזות של הגביש הנובעים מכך. שיטה זו מאפשרת גידול של גבישים גדולים, קלה יחסית לתפעול, ומציגה סיכויי פיתוח מבטיחים.

XKH, הממנפת מומחיות מעמיקה בגידול גבישי ספיר ועיבוד מדויק, מספקת פתרונות ופלים של ספיר בהתאמה אישית מקצה לקצה, המותאמים ליישומי ביטחון, LED ואופטואלקטרוניקה. בנוסף לספיר, אנו מספקים מגוון מלא של חומרי מוליכים למחצה בעלי ביצועים גבוהים, כולל ופלים של סיליקון קרביד (SiC), ופלים של סיליקון, רכיבי קרמיקה של SiC ומוצרי קוורץ. אנו מבטיחים איכות, אמינות ותמיכה טכנית יוצאות דופן בכל החומרים, ועוזרים ללקוחות להשיג ביצועים פורצי דרך ביישומי תעשייה ומחקר מתקדמים.