Сапфировое стекло: как производят синтетический корунд для промышленности

Сапфировое стекло — это монокристаллический оксид алюминия (Al2O3), выращенный в промышленных условиях при температуре выше 2050 градусов Цельсия. Его производят методами Чохральского, Бриджмена или направленной кристаллизации, получая крупные буле-слитки, которые затем режут на пластины и полируют до оптической прозрачности. Материал используют в оптике, электронике, часовой промышленности и авиации.

Сырьё и подготовка: от глинозёма до шихты

Исходное сырьё для синтетического сапфира — высокочистый оксид алюминия (глинозём) с содержанием примесей не более нескольких частей на миллион. Стандартный технический глинозём для металлургии не подходит: любые примеси железа, кремния или натрия создают дефекты в кристаллической решётке и снижают прозрачность. Поэтому сапфировые заводы закупают глинозём особой чистоты или проводят дополнительную химическую очистку.

Перед загрузкой в печь порошок уплотняют в гранулы или прессуют в цилиндрические заготовки. Это снижает газовыделение в процессе плавления и уменьшает вероятность захвата пузырьков воздуха в кристалл. Тигли для плавления изготавливают из вольфрама или молибдена: только эти металлы способны выдержать контакт с расплавленным оксидом алюминия без загрязнения расплава.

Методы выращивания монокристаллов

Метод Чохральского — один из наиболее распространённых в оптической и электронной промышленности. Глинозём расплавляют в вольфрамовом тигле в индукционной печи. К поверхности расплава подводят затравочный кристалл сапфира ориентированной кристаллографической плоскости, а затем медленно тянут его вверх с одновременным вращением. Скорость вытягивания составляет 1–25 миллиметров в час, вращение — 5–30 оборотов в минуту. За 20–40 часов вырастает цилиндрический були массой 15–60 килограммов и диаметром 60–150 миллиметров.

Метод Бриджмена-Стокбаргера отличается тем, что расплав застывает не сверху вниз, а перемещается в печи с изменяющимся температурным градиентом. Тигель медленно опускают из зоны нагрева в зону охлаждения, кристаллизация идёт снизу вверх. Метод позволяет получать були прямоугольного сечения, что удобно для последующей нарезки на пластины с минимальными отходами.

Метод направленной кристаллизации (HEM) адаптирован для получения крупных монокристаллов массой до 200 килограммов. Расплав в прямоугольном тигле охлаждают снизу через подошву тигля, формируя единый фронт кристаллизации. Это самый производительный способ для крупноформатных заготовок.

Резка, шлифовка и полировка

Готовый були имеет форму цилиндра или прямоугольного блока с шершавой поверхностью. Его ориентируют по кристаллографическим плоскостям с помощью рентгеновской дифрактометрии: угол среза относительно оптической оси влияет на свойства готовых изделий. Стекловидные защитные применения (часовые крышки, иллюминаторы приборов) требуют среза перпендикулярно оси С; оптические элементы для лазеров используют другие ориентации.

Резку выполняют алмазными дисками или проволочными пилами с алмазным покрытием. Толщина отрезанных пластин зависит от назначения: для часовых стёкол достаточно 0,5–1 миллиметра, для оптических иллюминаторов самолётов берут пластины толщиной 10–20 миллиметров.

Шлифовку ведут последовательно уменьшающимися фракциями алмазного порошка, убирая риски от резки. Финальная полировка хемомеханическая: пластину притирают к полировальному диску с суспензией коллоидного диоксида кремния (CMP-процесс). Химическая составляющая процесса ускоряет съём материала, механическая обеспечивает планарность. Результат — шероховатость поверхности менее 0,5 нанометра, что обеспечивает оптическую прозрачность и твёрдость поверхности 9 единиц по шкале Мооса.

Применение в промышленности

Промышленные области применения сапфирового стекла значительно шире бытовой электроники. В высокотемпературной оптике сапфировые иллюминаторы и линзы работают при температурах до 1700 градусов Цельсия там, где кварцевое стекло уже деформируется. В полупроводниковой промышленности сапфировые подложки используют для эпитаксиального выращивания нитрида галлия в производстве светодиодов. В нефтегазовой отрасли сапфировые окна устанавливают в датчики давления для эксплуатации в агрессивных средах при давлениях свыше 1000 атмосфер. Российские предприятия выпускают сапфировые заготовки для оптических и электронных применений, поставляя продукцию в том числе в приборостроительный сектор.