サファイア結晶は、純度99.995%を超える高純度アルミナ粉末から製造されるため、高純度アルミナの最大の需要分野となっています。サファイア結晶は、高い強度、高い硬度、安定した化学的性質を備えており、高温、腐食、衝撃などの過酷な環境下でも動作可能です。国防、民生技術、マイクロエレクトロニクスなどの分野で広く利用されています。
高純度アルミナ粉末からサファイア結晶まで
1サファイアの主な用途
防衛分野では、サファイア結晶は主にミサイルの赤外線窓に使用されています。現代の戦争ではミサイルに高い精度が求められており、赤外線光学窓はこの要件を満たすための重要な部品です。ミサイルは高速飛行中に激しい空力熱と衝撃にさらされ、過酷な戦闘環境にさらされるため、レドームには高い強度、耐衝撃性、そして砂や雨などの厳しい気象条件による侵食にも耐える能力が求められます。サファイア結晶は、優れた光透過率、優れた機械特性、そして安定した化学的特性を備えており、ミサイルの赤外線窓に最適な材料となっています。
LED基板はサファイアの最大の用途です。LED照明は、蛍光灯と省エネランプに続く第三の革命と考えられています。LEDの原理は、電気エネルギーを光エネルギーに変換することです。電流が半導体を通過すると、正孔と電子が結合し、余分なエネルギーが光の形で放出され、最終的に照明が生成されます。LEDチップ技術は、気体材料を基板上に層状に堆積させるエピタキシャルウェーハに基づいています。主な基板材料には、シリコン基板、炭化シリコン基板、サファイア基板などがあります。これらの中で、サファイア基板は、デバイスの安定性、成熟した製造技術、可視光の非吸収性、優れた光透過率、適度なコストなど、他の2つに比べて大きな利点があります。データによると、世界のLED企業の80%が基板材料としてサファイアを使用しています。
前述の用途に加えて、サファイア結晶は携帯電話の画面、医療機器、宝飾品の装飾、レンズやプリズムなどのさまざまな科学検出機器の窓材料としても使用されています。
2. 市場規模と見通し
政策支援やLEDチップの応用分野拡大を背景に、サファイア基板の需要と市場規模は二桁成長が見込まれています。2025年にはサファイア基板の出荷量は1億300万枚（4インチ基板換算）に達し、2021年比63％増、2021年から2025年までの年平均成長率（CAGR）は13％と予測されています。サファイア基板の市場規模は2025年には80億円に達し、2021年比108％増、2021年から2025年までの年平均成長率（CAGR）は20％と予測されています。基板の「先駆け」として、サファイア結晶の市場規模と成長傾向は明らかです。
3. サファイア結晶の作製
1891年、フランスの化学者A・ヴェルヌーイが初めて人工宝石結晶を製造する火炎溶融法を発明して以来、人工サファイア結晶の成長研究は1世紀以上にわたり続けられてきました。この間、科学技術の進歩は、結晶品質の向上、利用率の向上、生産コストの削減といった産業界の要求に応えるため、サファイア結晶の成長技術に関する広範な研究を推進してきました。チョクラルスキー法、キロプロス法、エッジ定義フィルム供給成長法（EFG法）、熱交換法（HEM法）など、サファイア結晶の成長には様々な新しい方法や技術が登場しています。
3.1 チョクラルスキー法によるサファイア結晶の成長
チョクラルスキー法は、1918年にCzochralski J.によって開拓され、チョクラルスキー法（略してCz法）としても知られています。1964年にPoladino AEとRotter BDは、この方法を初めてサファイア結晶の成長に適用しました。現在までに、この方法により多数の高品質サファイア結晶が生産されてきました。その原理は、原料を溶かして融液を作り、次に単結晶の種を融液表面に浸すことです。固液界面の温度差により過冷却が起こり、融液が種表面で固化し、種と同じ結晶構造を持つ単結晶が成長し始めます。種を一定の速度で回転させながらゆっくりと引き上げます。種が引き上げられると、融液は界面で徐々に固化し、単結晶が形成されます。融液から結晶を引き上げるこの方法は、高品質単結晶を作製するための一般的な技術の1つです。
チョクラルスキー法の利点は、(1)成長速度が速く、短時間で高品質の単結晶を製造できること、(2)結晶がるつぼ壁と接触することなく融液表面で成長するため、内部応力が効果的に低減され、結晶品質が向上することなどです。しかし、この方法の大きな欠点は、大口径結晶の成長が困難であり、大型結晶の製造には適していないことです。
3.2 サファイア結晶の成長におけるキロプロス法
1926年にキロプロスによって発明されたキロプロス法（KY法と略される）は、チョクラルスキー法と類似点を持つ。この方法では、種結晶を融液表面に浸し、ゆっくりと引き上げてネックを形成する。融液と種結晶の界面における凝固速度が安定すると、種結晶を引き上げたり回転させたりすることはなくなる。代わりに、冷却速度を制御することで単結晶が上から下へ徐々に凝固し、最終的に単結晶を形成する。
Kyropoulos プロセスでは、高品質、低欠陥密度、大型でコスト効率に優れた結晶が生成されます。
3.3 サファイア結晶成長のためのエッジ定義フィルム供給成長法（EFG法）
EFG法は、成形結晶成長技術です。その原理は、高融点の融液を鋳型に充填することです。融液は毛細管現象によって鋳型の上部に引き上げられ、そこで種結晶と接触します。種結晶が引き上げられ、融液が固化すると、単結晶が形成されます。鋳型端のサイズと形状によって結晶の寸法が制限されます。そのため、この方法には一定の制約があり、主にチューブ状やU字型などの成形サファイア結晶に適しています。
3.4 サファイア結晶成長のための熱交換法（HEM）
大型サファイア結晶を製造するための熱交換法は、1967年にフレッド・シュミットとデニスによって発明されました。HEMシステムは、優れた断熱性、融液と結晶の温度勾配の独立制御、そして優れた制御性を特徴としており、転位が少なく大型のサファイア結晶を比較的容易に製造できます。
HEM法の利点は、育成中にるつぼ、結晶、ヒーターが動かないことです。キロプロス法やチョクラルスキー法のような引き上げ動作が不要です。これにより、人的介入が軽減され、機械的な動きによる結晶欠陥を回避できます。さらに、冷却速度を制御することで、熱応力とそれに伴う結晶の割れや転位欠陥を最小限に抑えることができます。この方法は大型結晶の育成が可能で、操作も比較的容易であり、今後の開発が期待されています。
XKHは、サファイア結晶の成長と精密加工における深い専門知識を活用し、防衛、LED、オプトエレクトロニクスなどの用途に合わせてカスタマイズされた、エンドツーエンドのカスタムサファイアウェーハソリューションを提供しています。サファイアに加え、炭化ケイ素（SiC）ウェーハ、シリコンウェーハ、SiCセラミック部品、石英製品など、幅広い高性能半導体材料を提供しています。あらゆる材料において卓越した品質、信頼性、そして技術サポートを保証し、お客様が高度な産業用途や研究用途において画期的な性能を発揮できるよう支援しています。
投稿日時: 2025年8月29日