Synthetischer Saphir: extreme Leistung

Synthetischer Saphir:
extreme Leistung
von Ian Doggett, Abteilungsleiter, Glas- und Keramikgeschäftsbereich
c/o Goodfellow GmbH, Bad Nauheim, Deutschland.
Saphir, die Einkristall-Form von Aluminiumoxid (Al2O3),
wurde vor mehr als einem Jahrhundert erstmals synthetisch
hergestellt, aber die aufregendsten Fortschritte mit
diesem vielseitigen Material werden erst heute erzielt.
Angetrieben von den Anwendungsanforderungen und
den technologischen Fortschritten bei der Herstellung und
Veredelung ist der synthetische Saphir für Konstrukteure, die
unter extremen Bedingungen wie hohe Temperatur, hohen
Druck und aggressiven chemischen Umgebungen arbeiten,
oft das Material erster Wahl.
Außergewöhnliches Leistungsprofil
Saphir belegt mit einem Wert von 9 auf der Mohs-Skala
bei Härte und Kratzfestigkeit nach Diamant den zweiten
Rang. Sein Schmelzpunkt von 2050°C, seine
physikalische Festigkeit, Stoßfestigkeit und
TABELLE 1:
Korrosionsbeständigkeit, seine Trägheit, extreme
Typische Eigenschaften von Saphir (Al2O3 99,9%)
Druckfestigkeit, sowie die ungewöhnliche
Chemische Beständigkeit
Kombination aus hervorragende Wärmeleitfähigkeit
Säuren - konzentriertgut
und hoher Wärmebeständigkeit heben den
Säuren - verdünntgut
Saphir gegenüber hochentwickelten KeramikLaugengut
und Glasarten weiter ab. (Siehe Tabelle 1.)
Halogenegut
Metallegut
Darüber hinaus sind die optischen Eigenschaften
eines Saphir außergewöhnlich: Er ist bei
Elektrische Eigenschaften
Lichtwellenlängen zwischen 150 nm (UV) und 5500
Dielektrizitätskonstante7,5 - 11,5
nm (IR) durchlässig.
Durchschlagfestigkeit ( kV mm-1 )
15 - 50
Leistungsoptimierung für bestimmte
Anwendungen
Die Anwendungsbereiche sind vielfältig: von MiniaturKugellagern bis großen Raketennasen. In Tabelle 2
ist eine Auswahl typischer Anwendungsbereiche
aufgelistet. Die Leistungsoptimierung für eine
bestimmte Anwendung erfordert nicht nur Kenntnisse
der verschiedenen Saphirkristall-Zuchttechniken,
sondern auch von den Auswirkungen der
spezifischen Fertigungstechniken.
Es gibt sechs Hauptverfahren zur Herstellung von
Saphir und alle beinhalten zwei grundlegende
Schritte: das Schmelzen des Rohmaterials
(Aluminiumoxid) und das anschließende Abkühlen
und Verfestigen in einer solchen Art und Weise,
Spezifischer Durchgangswiderstand bei 25˚C (Ohm-cm) >1014
Mechanische Eigenschaften
Druckfestigkeit (MPa)2100
Härteprüfung - Knoop ( kgf mm-2 )2000
Härteprüfung - Vickers ( kgf mm-2 )
1600 - 1800
Elastizitätsmodul ( GPa )
350 - 390
Physikalische Eigenschaften
Offene Porosität ( % )
0
Dichte ( g cm-3 )3,985
Brechungsindex1,71 - 1,79
Nutzbarer Lichtwellenübertragungsbereich ( nm )
150 - 5500
Wasserabsorption - Sättigung ( % )
0
Thermische Eigenschaften
Wärmeausdehnungskoeffizient
bei 20-1000˚C ( x10-6 K-1 )5,8
Schmelzpunkt (˚C)
2050
Spezifische Wärmekapazität bei 25˚C ( J K-1 kg-1 )
750
Wärmeleitfähigkeit bei 20˚C ( W m-1 K-1 )
35 - 40
Obere Dauernutzungstemperatur ( ˚C )
1800 - 1950
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dass die Kristalle ausgerichtet sind. Jedes Kristallzuchtverfahren
hat Vorteile und Einschränkungen. (Siehe Tabelle 3.) Angesichts
der Vielzahl von Kristallzucht-Technologien, ist die Auswahl eines
Herstellungsverfahrens eine Herausforderung, die man am besten
in Zusammenarbeit mit einem Fachmann trifft, der sich mit der
Abstimmung von Fertigungstechnologie und Feinbearbeitung
(Formen, Schneiden, Schleifen, Polieren) für die beabsichtigte
Anwendung des Saphir-Materials oder der Saphir-Komponente
auskennt. Während bei manchen Anwendungen des Saphirs
hervorragende optische Eigenschaften und Kratzfestigkeit
erforderlich sind, können bei anderen die hohe Betriebstemperatur
und mechanische Beständigkeit des Materials entscheidend sein.
Es ist wichtig, alle physischen und funktionalen Aspekte der in
Frage kommenden Saphir-Komponente zu berücksichtigen, um
die Spezifikationen für ein kostengünstiges (und realisierbares!)
Teil anzugeben.
Bei der Feinbearbeitung kann die Art und Weise, wie der
TABELLE 2:
Märkte und Anwendungsbereiche
Herstellung von Halbleitern
Substrate, Wafer, Plasma-Röhren, Kammerfenster,
Hebestifte, Gas-Injektoren
Optik
Laser-Anwendungen; optische Hochleistungsfenster
einschließlich UV, NIR, IR; NMR-Spektroskopie;
Fenster, Linsen, Prismen, Rohlinge
Militär / Luft- und Raumfahrt
Forward Looking Infrared (FLIR)-Fenster,
Führungssysteme, Radiometrie, Raketennasen,
andere allgemeine Luft- und Seefahrt-Anwendungen
Industrie
Gas- und chemische Analyse, Thermoelemente,
Isolatoren für RF und Mikrowellen-Anwendungen,
medizinische Instrumente und Implantate,
Verschleißteile einschließlich Stangen, Lager,
Rohlinge, Reibplatte
TABELLE 3: Saphirkristallzucht-Technologien
Methode:
Verneuil
Czochralski
Kyropoulos
Datum:
Spätes 19. Jahrhundert
1916
1926
Technik:
Flammenfusions-Prozess
(schmelzen und tropfen)
Ziehen von Kristallen aus der
Schmelze
Direkte Kristallisation der Schmelze
Verfahren:
In einem Verneuil-Ofen wird
Aluminiumoxidpulver mit
einer Wasserstoffgas-Flamme
geschmolzen und fällt dann auf die
geschmolzene Oberfläche eines
orientierten Impfkristalls. Der Kristall
wird größer, je mehr kondensiertes
Pulver auf die resultierende
geschmolzene Kugel fällt.
Keimmaterial wird in einen
Schmelztiegel gegeben und in einer
Zuchtkammer geschmolzen. Ein
dünner Saphirkeim mit einer präzisen
Ausrichtung wird in die Schmelze
eingetaucht und mit langsamer
Geschwindigkeit herausgezogen,
wobei der Kristall und der Tiegel
in entgegengesetzten Richtungen
gedreht werden. Dieses Verfahren
wird kontinuierlich wiederholt und
bei jedem Zyklus werden weitere
Kristallschichten aufgenommen.
In einem Tiegel wird ein Keimkristall
an einer Halterung angebracht und
das Rohmaterial wird geschmolzen.
Die Kristallisation beginnt, sobald
der Keim mit der Schmelze in
Kontakt kommt, wobei der Kristall
in die Schmelze hineinwächst und
eine Halbkugel bildet. Wenn der
Kristall größer wird, und sich den
Wänden des Schmelztiegels nähert,
wird der Keimkristallhalter mit den
gewachsenen Kristall angehoben,
und das Wachstum wird fortgesetzt,
bis der Kristall erneut die Wände
des Tiegels erreicht.
Vorteile:
Dies ist noch immer die
kostengünstigste Methode,
um für einige Anwendungen
(z. B. Edelsteine aus synthetischem
Saphir, Uhren-Juwelen,
Uhrengläser) einen synthetischen
Saphir herzustellen.
Ein auf diese Weise hergestellter
Saphir verfügt über gute optische
Eigenschaften, die für Laser,
IR- und UV-Fenster, transparente
elektronische Substrate,
Hochtemperatur-Prozessfenster
und andere optische Anwendungen
geeignet sind.
Die Größe des gezüchteten Kristalls
wird lediglich durch die Größe
des Tiegels begrenzt und die
Kristalle weisen keine Risse und
Beschädigungen auf, wie sie aus
einem eingeschränkten Behältnis
herrühren können. Auch sind die aus
diesem Verfahren stammenden SaphirKristalle von sehr hoher optischer
Qualität und für die Herstellung von
Ingots und Substraten für LED und HFAnwendungen, Fenster, Linsen und
Präzisionsoptik geeignet.
Dieser Zuchtprozess kann bis
zu acht Wochen dauern und
erfordert kontinuierlich Energie und
Beobachtung.
Aufgrund ihrer Zuchtmethode
weisen Kyropoulos-Stäbe
kreisförmige Spuren um ihre
Seitenflächen auf.
Einschränkung: Es sind begrenzte Größen und
Formen möglich. Im ganzen Kristall
erscheinen gekrümmte Streifen, so
dass er für optische Anwendungen
weniger geeignet ist.
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Methode:
EFG-Verfahren („kantendefiniertes Wärmetauscher-Verfahren
Filmwachstum“ – Stepanov)
(HEM)
Horizontale Erstarrung (HDS)
Datum:
1965
1967
1975
Technik:
Durch die Form ziehen
Invertiertes oder modifiziertes
Kyropoulos-Verfahren
Horizontales Plattenwachstum
Verfahren:
In einem Tiegel geschmolzenes
Aluminiumoxid benetzt die
Oberfläche der Form und bewegt
sich durch Kapillarwirkung nach
oben. Ein Saphir-Kristallkeim
spezifischer Kristallinität wird in
die Schmelze der Form-Oberseite
eingetaucht und herausgezogen,
wobei sich der Saphir in der Form
der Matrize verfestigt.
Ein Saphirkristallkeim wird auf
den Boden eines Schmelztiegels
gegeben, der dann mit
Aluminiumoxid-Bruchstücken
gefüllt und in einen Ofen gebracht
wird. Eine präzise Erwärmung und
Abkühlung bewirkt, dass der Kristall
in drei Dimensionen wächst.
Die Kristalle wachsen mit einer
Wachstumsgeschwindigkeit von
8-10 mm pro Stunde in einem
horizontalen Behälter aus der
Schmelze.
Vorteile:
So können Saphir-Kristalle
beliebiger Formen, darunter
Rohre, Stäbe, Bleche, Bänder
und Fasern hergestellt werden,
wodurch die Kosten für Bearbeitung
und Feinbearbeitung sinken. Die
Kristalle können verschiedene
kristallographische Orientierungen
(A, C, zufällig) aufweisen.
So können große Stäbe hergestellt
werden. Durch ein erweitertes
Abkühlverfahren wird eine
außergewöhnliche Kristallqualität
erreicht.
So werden große Platten mit
nahezu perfekten Kanten jeder
Kristallorientierung hergestellt.
Ermöglicht die Herstellung von sehr
dicken Fenstern und Komponenten
mit hervorragender optischer
Qualität. Wird häufig bei blauen
LEDs verwendet.
Aufgrund der Kosten für den
Austausch der bei diesem Verfahren
häufig verwendeten Molybdän- und
Wolframtiegel kann diese Methode
teuer sein.
Mit diesem Verfahren wird in
der Regel nur dickes Material
hergestellt. Wie bei HEM
können die Kosten wegen
der Verwendung von Molybdänoder Wolfram-Schiffchen eine Rolle
spielen.
Einschränkungen: Zusätzliche Zeit und Kosten sind mit
der Herstellung von Werkzeugen
zur Züchtung der geformten Kristalle
verbunden. Die geringe bis mittlere
optische Qualität begrenzt die
Anwendungsbereiche auf Mechanik,
Industrie und optische Anwendungen
geringerer Güte.
Saphirkristall geschnitten wird, eine tiefgreifende Auswirkung auf
die Leistung haben. Ein Saphirkristall ist eine rhomboedrische
Struktur mit drei Achsen – R, A und C – und Ebenen A, C,
R, M und N. (Siehe Abbildung 1.) Als anisotroper Kristall mit
ungleichmäßigen Abmessungen weist er Eigenschaften auf, die
für die Kristallorientierung spezifisch sind. Diese Eigenschaften
können thermische, physikalische, optische oder elektrische
Eigenschaften sein. Obwohl eine spezifische Kristallorientierung
für viele Anwendungen unwichtig sein kann, ist es ratsam, bei
der Spezifikation des Saphirs ihre mögliche Bedeutung zu
berücksichtigen.
Abb. 1:
Blick in die Zukunft
Kristallographische Zeichnung von Saphir
Die jüngsten Fortschritte, die Größe der Saphir-Teile zu steigern
– Rohre bis zu 1 Meter Länge, Wafer bis annähernd 30 cm
(12 Zoll) Durchmesser, Kuppeln von mehr als 20 cm (8 Zoll)
Durchmesser – haben die Tür zu spannenden Design-Innovationen geöffnet. Der Schritt hin zu einer annähernd
endabmessungsnahen (Near-Net-Shape) Kristallzucht resultiert auch in einer erhöhten Flexibilität beim
Design. Selbst nach mehr als 100 Jahren wird die Geschichte vom synthetischen Saphir definitiv noch weiter
geschrieben.
Für weitere Informationen zu synthetischem Saphir kontaktieren Sie [email protected].
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