Los cristales de zafiro se cultivan a partir de polvo de alúmina de alta pureza (>99,995%), lo que los convierte en el sector con mayor demanda de alúmina de alta pureza. Presentan alta resistencia, gran dureza y propiedades químicas estables, lo que les permite operar en entornos adversos, como altas temperaturas, corrosión e impactos. Se utilizan ampliamente en defensa nacional, tecnología civil, microelectrónica y otros campos.
Desde polvo de alúmina de alta pureza hasta cristales de zafiro
1Aplicaciones clave del zafiro
En el sector de la defensa, los cristales de zafiro se utilizan principalmente para las ventanas infrarrojas de los misiles. La guerra moderna exige una alta precisión en los misiles, y la ventana óptica infrarroja es un componente crítico para cumplir con este requisito. Dado que los misiles experimentan un intenso calor aerodinámico e impactos durante el vuelo a alta velocidad, además de entornos de combate adversos, el radomo debe poseer una alta resistencia, resistencia al impacto y la capacidad de soportar la erosión causada por la arena, la lluvia y otras condiciones climáticas extremas. Los cristales de zafiro, gracias a su excelente transmisión de luz, propiedades mecánicas superiores y características químicas estables, se han convertido en un material ideal para las ventanas infrarrojas de los misiles.
Los sustratos LED representan la principal aplicación del zafiro. La iluminación LED se considera la tercera revolución después de las lámparas fluorescentes y de bajo consumo. El principio de funcionamiento de los LED consiste en convertir la energía eléctrica en energía lumínica. Cuando la corriente eléctrica atraviesa un semiconductor, los huecos y los electrones se recombinan, liberando el exceso de energía en forma de luz y produciendo iluminación. La tecnología de chips LED se basa en obleas epitaxiales, donde los materiales gaseosos se depositan capa por capa sobre un sustrato. Los principales materiales de sustrato incluyen sustratos de silicio, sustratos de carburo de silicio y sustratos de zafiro. Entre estos, los sustratos de zafiro ofrecen ventajas significativas sobre los otros dos, como la estabilidad del dispositivo, una tecnología de fabricación consolidada, la no absorción de luz visible, una buena transmitancia de luz y un coste moderado. Los datos muestran que el 80 % de las empresas de LED a nivel mundial utilizan zafiro como material de sustrato.
Además de las aplicaciones antes mencionadas, los cristales de zafiro también se utilizan en pantallas de teléfonos móviles, dispositivos médicos, decoración de joyas y como materiales para ventanas de diversos instrumentos de detección científica, como lentes y prismas.
2. Tamaño y perspectivas del mercado
Impulsada por el apoyo político y la creciente aplicación de los chips LED, se prevé que la demanda de sustratos de zafiro y su mercado alcancen un crecimiento de dos dígitos. Para 2025, se proyecta que el volumen de envíos de sustratos de zafiro alcance los 103 millones de unidades (equivalentes a sustratos de 4 pulgadas), lo que representa un aumento del 63 % con respecto a 2021, con una tasa de crecimiento anual compuesta (TCAC) del 13 % entre 2021 y 2025. Se espera que el mercado de sustratos de zafiro alcance los 8000 millones de yenes para 2025, un aumento del 108 % con respecto a 2021, con una TCAC del 20 % entre 2021 y 2025. Como precursor de los sustratos, el tamaño del mercado y la tendencia de crecimiento de los cristales de zafiro son evidentes.
3. Preparación de cristales de zafiro
Desde 1891, cuando el químico francés Verneuil A. inventó por primera vez el método de fusión a la llama para producir cristales de gemas artificiales, el estudio del crecimiento de cristales de zafiro artificiales se ha extendido a lo largo de más de un siglo. Durante este período, los avances científicos y tecnológicos han impulsado una extensa investigación sobre las técnicas de crecimiento del zafiro para satisfacer las demandas industriales de mayor calidad cristalina, mejores tasas de utilización y menores costos de producción. Han surgido diversos métodos y tecnologías nuevos para el crecimiento de cristales de zafiro, como el método Czochralski, el método Kyropoulos, el método de crecimiento por película con bordes definidos (EFG) y el método de intercambio de calor (HEM).
3.1 Método Czochralski para el cultivo de cristales de zafiro
El método Czochralski, desarrollado por J. Czochralski en 1918, también se conoce como técnica Czochralski (abreviado como método Cz). En 1964, A.E. Poladino y B.D. Rotter aplicaron por primera vez este método al cultivo de cristales de zafiro. Hasta la fecha, se ha obtenido un gran número de cristales de zafiro de alta calidad. El principio consiste en fundir la materia prima para formar una masa fundida y, a continuación, sumergir un cristal monocristalino en la superficie de dicha masa. Debido a la diferencia de temperatura en la interfase sólido-líquido, se produce un sobreenfriamiento que provoca la solidificación de la masa fundida sobre la superficie del cristal monocristalino, dando inicio al crecimiento de un cristal monocristalino con la misma estructura cristalina que este. El cristal monocristalino se extrae lentamente hacia arriba mientras gira a una velocidad determinada. A medida que se extrae, la masa fundida se solidifica gradualmente en la interfase, formando así el cristal monocristalino. Este método, que consiste en extraer un cristal de la masa fundida, es una de las técnicas más comunes para la preparación de cristales monocristalinos de alta calidad.
Las ventajas del método Czochralski incluyen: (1) una alta velocidad de crecimiento, que permite la producción de monocristales de alta calidad en poco tiempo; (2) los cristales crecen en la superficie del fundido sin contacto con la pared del crisol, lo que reduce eficazmente la tensión interna y mejora la calidad del cristal. Sin embargo, una desventaja importante de este método es la dificultad para obtener cristales de gran diámetro, lo que lo hace menos adecuado para la producción de cristales de gran tamaño.
3.2 Método Kyropoulos para el cultivo de cristales de zafiro
El método Kyropoulos, inventado por Kyropoulos en 1926 (abreviado como método KY), presenta similitudes con el método Czochralski. Consiste en sumergir un cristal semilla en la superficie del fundido y tirar lentamente de él hacia arriba para formar un cuello. Una vez que la velocidad de solidificación en la interfaz fundido-semilla se estabiliza, se deja de tirar o girar la semilla. En su lugar, se controla la velocidad de enfriamiento para permitir que el monocristal se solidifique gradualmente de arriba hacia abajo, formando finalmente un monocristal.
El proceso Kyropoulos produce cristales de alta calidad, baja densidad de defectos, gran tamaño y con una buena relación coste-eficacia.
3.3 Método de crecimiento de cristales de zafiro mediante alimentación por película definida por bordes (EFG)
El método EFG es una tecnología de crecimiento de cristales con forma. Su principio consiste en colocar un fundido de alto punto de fusión en un molde. El fundido asciende por capilaridad hasta la parte superior del molde, donde entra en contacto con el cristal semilla. A medida que la semilla se desplaza y el fundido se solidifica, se forma un monocristal. El tamaño y la forma del borde del molde limitan las dimensiones del cristal. Por consiguiente, este método presenta ciertas limitaciones y es principalmente adecuado para cristales de zafiro con formas específicas, como tubos y perfiles en forma de U.
3.4 Método de intercambio de calor (HEM) para el crecimiento de cristales de zafiro
El método de intercambio de calor para la preparación de cristales de zafiro de gran tamaño fue inventado por Fred Schmid y Dennis en 1967. El sistema HEM se caracteriza por un excelente aislamiento térmico, un control independiente del gradiente de temperatura en la masa fundida y el cristal, y una buena controlabilidad. Permite obtener con relativa facilidad cristales de zafiro de gran tamaño y con baja dislocación.
Las ventajas del método HEM incluyen la ausencia de movimiento en el crisol, el cristal y el calentador durante el crecimiento, eliminando las fuerzas de tracción como las de los métodos Kyropoulos y Czochralski. Esto reduce la intervención humana y evita defectos cristalinos causados por el movimiento mecánico. Además, la velocidad de enfriamiento se puede controlar para minimizar la tensión térmica y los consiguientes defectos de agrietamiento y dislocación del cristal. Este método permite el crecimiento de cristales de gran tamaño, es relativamente fácil de operar y presenta perspectivas de desarrollo prometedoras.
Gracias a su amplia experiencia en el crecimiento de cristales de zafiro y su procesamiento de precisión, XKH ofrece soluciones integrales de obleas de zafiro personalizadas para aplicaciones de defensa, LED y optoelectrónica. Además del zafiro, suministramos una gama completa de materiales semiconductores de alto rendimiento, como obleas de carburo de silicio (SiC), obleas de silicio, componentes cerámicos de SiC y productos de cuarzo. Garantizamos una calidad, fiabilidad y soporte técnico excepcionales para todos los materiales, lo que permite a nuestros clientes alcanzar un rendimiento revolucionario en aplicaciones industriales y de investigación avanzadas.
Fecha de publicación: 29 de agosto de 2025