Les cristaux de saphir sont cultivés à partir de poudre d'alumine de haute pureté (supérieure à 99,995 %), ce qui représente le principal secteur de demande en alumine de haute pureté. Ils présentent une résistance et une dureté élevées, ainsi que des propriétés chimiques stables, leur permettant de fonctionner dans des environnements extrêmes tels que les hautes températures, la corrosion et les chocs. Ils sont largement utilisés dans la défense nationale, les technologies civiles, la microélectronique et d'autres domaines.
De la poudre d'alumine de haute pureté aux cristaux de saphir
1Principales applications du saphir
Dans le secteur de la défense, les cristaux de saphir sont principalement utilisés pour les fenêtres infrarouges des missiles. La guerre moderne exige une grande précision des missiles, et la fenêtre optique infrarouge est un élément essentiel pour répondre à cette exigence. Compte tenu des fortes contraintes aérodynamiques et des impacts subis par les missiles lors de leurs vols à grande vitesse, ainsi que des environnements de combat difficiles, le radôme doit présenter une résistance mécanique et aux chocs élevée, et être capable de résister à l'érosion due au sable, à la pluie et aux autres conditions météorologiques extrêmes. Grâce à leur excellente transmission lumineuse, leurs propriétés mécaniques supérieures et leur stabilité chimique, les cristaux de saphir sont devenus un matériau idéal pour les fenêtres infrarouges des missiles.
Les substrats pour LED représentent la principale application du saphir. L'éclairage LED est considéré comme la troisième révolution après les lampes fluorescentes et les lampes à économie d'énergie. Le principe des LED repose sur la conversion de l'énergie électrique en énergie lumineuse. Lorsqu'un courant traverse un semi-conducteur, les paires électron-trou se recombinent, libérant l'énergie excédentaire sous forme de lumière et produisant ainsi un éclairage. La technologie des puces LED est basée sur des plaquettes épitaxiées, où des matériaux gazeux sont déposés couche par couche sur un substrat. Les principaux matériaux de substrat sont le silicium, le carbure de silicium et le saphir. Parmi ceux-ci, les substrats en saphir offrent des avantages significatifs par rapport aux deux autres, notamment une grande stabilité des dispositifs, une technologie de fabrication éprouvée, la non-absorption de la lumière visible, une bonne transmittance lumineuse et un coût modéré. Les données montrent que 80 % des entreprises mondiales du secteur des LED utilisent le saphir comme matériau de substrat.
Outre les applications susmentionnées, les cristaux de saphir sont également utilisés dans les écrans de téléphones portables, les dispositifs médicaux, la décoration de bijoux et comme matériaux de fenêtre pour divers instruments de détection scientifique tels que les lentilles et les prismes.
2. Taille et perspectives du marché
Portée par des politiques favorables et l'expansion des applications des puces LED, la demande de substrats en saphir et leur marché devraient connaître une croissance à deux chiffres. D'ici 2025, le volume de livraisons de substrats en saphir devrait atteindre 103 millions d'unités (converties en substrats de 4 pouces), soit une augmentation de 63 % par rapport à 2021, avec un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 13 % entre 2021 et 2025. Le marché des substrats en saphir devrait atteindre 8 milliards de yens d'ici 2025, soit une hausse de 108 % par rapport à 2021, avec un TCAC de 20 % entre 2021 et 2025. En tant que précurseur des substrats, la taille et la croissance du marché des cristaux de saphir sont manifestes.
3. Préparation des cristaux de saphir
Depuis 1891, date à laquelle le chimiste français Verneuil A. inventa pour la première fois la méthode de fusion à la flamme permettant de produire des cristaux de gemmes artificielles, l'étude de la croissance des cristaux de saphir artificiels s'étend sur plus d'un siècle. Durant cette période, les progrès scientifiques et technologiques ont stimulé d'importantes recherches sur les techniques de croissance du saphir afin de répondre aux exigences industrielles en matière de qualité cristalline supérieure, de taux d'utilisation améliorés et de coûts de production réduits. Diverses méthodes et technologies novatrices ont ainsi vu le jour pour la croissance des cristaux de saphir, telles que la méthode Czochralski, la méthode Kyropoulos, la méthode de croissance par film mince à bords définis (EFG) et la méthode d'échange thermique (HEM).
3.1 Méthode Czochralski pour la croissance des cristaux de saphir
La méthode Czochralski, mise au point par Czochralski J. en 1918, est également connue sous le nom de technique Czochralski (ou méthode Cz). En 1964, Poladino AE et Rotter BD ont été les premiers à appliquer cette méthode à la croissance de cristaux de saphir. À ce jour, elle a permis de produire un grand nombre de cristaux de saphir de haute qualité. Le principe consiste à faire fondre la matière première pour former un bain de fusion, puis à y plonger un germe monocristallin. En raison de la différence de température à l'interface solide-liquide, une surfusion se produit, provoquant la solidification du bain de fusion sur le germe et la croissance d'un monocristal présentant la même structure cristalline. Le germe est ensuite tiré lentement vers le haut tout en tournant à une vitesse donnée. Au fur et à mesure de son tirage, le bain de fusion se solidifie progressivement à l'interface, formant ainsi un monocristal. Cette méthode, qui consiste à extraire un cristal du bain de fusion, est l'une des techniques courantes pour la préparation de monocristaux de haute qualité.
Les avantages de la méthode Czochralski sont les suivants : (1) une vitesse de croissance rapide, permettant la production de monocristaux de haute qualité en un temps réduit ; (2) la croissance des cristaux à la surface du bain de fusion, sans contact avec la paroi du creuset, ce qui réduit efficacement les contraintes internes et améliore la qualité des cristaux. Cependant, un inconvénient majeur de cette méthode réside dans la difficulté à obtenir des cristaux de grand diamètre, la rendant moins adaptée à la production de cristaux de grande taille.
3.2 Méthode Kyropoulos pour la croissance des cristaux de saphir
La méthode Kyropoulos, inventée par Kyropoulos en 1926 (abrégée en méthode KY), présente des similitudes avec la méthode Czochralski. Elle consiste à immerger un germe cristallin dans le bain de fusion et à le tirer lentement vers le haut pour former un collet. Une fois la vitesse de solidification stabilisée à l'interface bain-germe, le germe n'est plus tiré ni tourné. On contrôle alors la vitesse de refroidissement pour permettre au monocristal de se solidifier progressivement de haut en bas, jusqu'à former un monocristal.
Le procédé Kyropoulos produit des cristaux de haute qualité, à faible densité de défauts, de grande taille et d'un excellent rapport coût-efficacité.
3.3 Méthode de croissance par film alimenté à bord défini (EFG) pour la croissance de cristaux de saphir
La méthode EFG est une technique de croissance de cristaux façonnés. Son principe consiste à placer un bain de fusion à point de fusion élevé dans un moule. Par capillarité, le bain remonte vers le haut du moule et entre en contact avec le germe cristallin. À mesure que le germe est tiré et que le bain se solidifie, un monocristal se forme. La taille et la forme du bord du moule limitent les dimensions du cristal. Par conséquent, cette méthode présente certaines limitations et convient principalement aux cristaux de saphir façonnés, tels que les tubes et les profils en U.
3.4 Méthode d'échange thermique (HEM) pour la croissance des cristaux de saphir
La méthode d'échange thermique pour la préparation de cristaux de saphir de grande taille a été inventée par Fred Schmid et Dennis en 1967. Le système HEM se caractérise par une excellente isolation thermique, un contrôle indépendant du gradient de température entre le bain de fusion et le cristal, et une grande précision de réglage. Il permet de produire relativement facilement des cristaux de saphir de grande taille et à faible dislocation.
Les avantages de la méthode HEM résident notamment dans l'absence de mouvement du creuset, du cristal et de l'élément chauffant durant la croissance, éliminant ainsi les tractions nécessaires, contrairement aux méthodes Kyropoulos et Czochralski. Ceci réduit l'intervention humaine et évite les défauts cristallins induits par les mouvements mécaniques. De plus, la vitesse de refroidissement peut être contrôlée afin de minimiser les contraintes thermiques et, par conséquent, les fissures et dislocations cristallines. Cette méthode permet la croissance de cristaux de grande taille, est relativement simple à mettre en œuvre et offre des perspectives de développement prometteuses.
S'appuyant sur une expertise pointue en croissance cristalline et en usinage de précision du saphir, XKH propose des solutions complètes de plaquettes de saphir sur mesure, adaptées aux applications de défense, de LED et d'optoélectronique. Outre le saphir, nous fournissons une gamme complète de matériaux semi-conducteurs haute performance, notamment des plaquettes de carbure de silicium (SiC), des plaquettes de silicium, des composants céramiques en SiC et des produits en quartz. Nous garantissons une qualité, une fiabilité et un support technique exceptionnels pour tous nos matériaux, permettant ainsi à nos clients d'atteindre des performances révolutionnaires dans les applications industrielles et de recherche de pointe.
Date de publication : 29 août 2025