Как в России выращивают сапфировое стекло для iPhone

[aslan]

Трудно поверить, но именно в Ставрополе - центре аграрного края, между магазинами обоев и обветшалой многоэтажкой, расположилось предприятие, которое является крупнейшим в мире производителем искусственных сапфиров. Это ставропольский «Монокристалл» - «дочка» многопрофильного холдинга «Энергомера». Здесь создается четверть синтетических сапфиров мира.

Через проходную иду с ощущением, что попала если не на другую планету, то как минимум в Японию: за стеклами - люди в спецкостюмах, а особо филигранную работу делают роботы, аккуратно захватывая светлые, почти прозрачные пластины разных размеров. Перед тем, как пройти по производству, куда, кстати, журналистов обычно не пускают, встречаюсь с генеральным директором «Монокристалла» Олегом Качаловым.




- Искусственные сапфиры начали выращивать более ста лет назад, - рассказывает гендиректор. - Их использовали для швейцарских часов, и первый сапфир вырастили именно в Швейцарии. С появлением электроники выяснилось, что сапфир - это уникальный материал, у него масса применений. Определенные устройства на сапфире работают лучше, чем на кремнии. Например, сапфир быстрее проводит тепло. Он идеален для изготовления светодиодов. В Японии такие светодиоды изобрели в конце 80-х годов, а с конца 90-х их производят промышленно. Помните первые кнопочные телефоны? Нажимаешь кнопку - снизу загорается подсветка. Белая, зеленая или голубая подсветка - первое промышленное применение сапфира. Позже выяснилось, что светодиод гораздо экономичнее традиционных источников света. Более того, он меньше в размерах. И светодиоды начали использовать для подсветки жидкокристаллических экранов. Еще помните момент, когда вместо трех часов без подзарядки ноутбуки стали работать пять-шесть часов? Время работы аккумуляторов увеличилось за счет экономии на подсветке, ее заменили на светодиодную, изготовленную на основе сапфира. А уже потом светодиоды стали применяться и в телевизорах, потому что с их помощью появилась возможность делать телевизоры гораздо тоньше.

«Сейчас в мире идет третья волна использования светодиодов: ими заменяется обычное освещение. Конечно, это связано с энергоэффективностью. Такая лампочка тратит примерно в 8 раз меньше электроэнергии, чем «лампочка Ильича», а светит не хуже. Кстати, и для микросхем космических кораблей также используют сапфир»

- Сапфир настолько уникален, что его можно использовать и как оптический материал. У него прекрасное светопропускание, при этом он второй по твердости материал на планете. Его нельзя поцарапать ничем, кроме алмаза. То есть защитное покрытие из сапфира будет фактически вечным, если только вы не станете царапать его бриллиантовым кольцом. Именно поэтому половина швейцарских часов делается из нашего сапфира, - говорит Качалов.

- И именно поэтому Apple стал использовать его в пятом iPhone, защищая видеокамеру...

- Да, если линза поцарапана, то на фотографиях будет дефект, а в случае использования сапфира высокое качество съемки гарантируется. Затем в iPhone 5S компания решила внедрить биометрический сенсор, разблокировку по отпечатку пальцев, и, чтобы было меньше ошибок при считывании информации, кнопку тоже стали делать из сапфира. Возможно, в следующих моделях будет сапфировый экран. Это гарантирует не только его прочность, но и точность реагирования на прикосновения, а значит, управлять экраном будет легче.

Умные часы Apple Watch также сделаны из сапфирового стекла, причем снизу расположены биометрические сенсоры, которые считывают пульс человека. Для повышения точности эти части тоже защищены сапфировыми окошками.
Кристаллы высокой чистоты

На столе лежит круглая прозрачная сапфировая пластина размером с CD-диск. Я пытаюсь взять ее в руки, но она не поддается и только скользит по поверхности стола. Олег Качалов, понаблюдав за моими мучениями, дает ценный совет:



- Сдвиньте ее на край. Пластина настолько ровная, что прилипает к столу.

Сдвигаю тонкий круг на край стола и беру его в руки. Он легкий и приятный на ощупь.

- Сколько стоит такая пластина?

- Около тысячи долларов. Нам приходится снижать цены.

- Чем отличаются искусственные сапфиры от настоящих?

- Настоящие, как правило, голубого цвета. А искусственный, который вы держите в руках, абсолютно бесцветный, прозрачен, как стекло. Это кристаллы высокой чистоты. Дело в том, что в сапфире, предназначенном для электроники, не должно быть никаких примесей. Несколько атомов могут испортить кристалл. А именно примеси и дают окраску.

- То есть теоретически вы можете вырастить сапфир любого цвета?

- В принципе, да. Если добавить в исходное сырье - это оксид алюминия - железо, то получится голубой оттенок, как у природного камня. Если добавить хром, получится рубиновый цвет. Существует более трехсот разновидностей ювелирных сапфиров, производящихся искусственно. Но мы этим не занимаемся.

- Как выращивают сапфиры?

- Свойства материалов, как вы знаете, зависят от расположения атомов относительно друг друга. Из углерода в зависимости от расположения атомов может получиться кусок угля, графит или алмаз.

Если у вас дома есть алюминиевая посуда, то на ее поверхности вы наверняка видели белый налет, который можно соскрести. Это оксид алюминия. Нагрейте его до температуры выше двух тысяч градусов (это одна треть от температуры поверхности солнца), потом возьмите маленький кусочек сапфира, опустите в этот расплав и медленно охладите. Тогда атомы затвердеют в идеальном порядке, и вы получите прозрачный кристалл.

«Монокристалл» вырастил рекордный кристалл сапфира

Портфельная компания «Роснано» продемонстрировала первый в мире трёхсоткилограммовый кристалл синтетического сапфира
В России, в Ставрополе, этим летом вырастили кристалл сапфира массой 300 килограммов. На сегодня полученный кристалл можно отнести к самым крупным искусственным сапфирам, которые существуют в мире. Эксперты уже заявляют, что появление подобного кристалла повлияет на промышленность, так как применение сверхбольших кристаллов сапфира способно ускорить развитие многих высокотехнологических отраслей.

- А для чего нужны такие гиганты?

- В первую очередь для потребительской электроники. Чтобы производить защитные экраны смартфонов, требуется кристалл большого размера, а в будущем это и экраны планшетов, которые еще больше. Кроме того, увеличивая размер кристалла, мы тратим меньше ресурсов на производство одного килограмма сапфира. Например, электроэнергии мы тратим десятки мегаватт ежемесячно. А большие кристаллы позволяют снижать себестоимость материала, делая его более доступным для различных применений, тем самым увеличивая возможности рынка.

- Как выглядят свежеиспеченные кристаллы, только из печки?

- Вот стоит кристалл 60 килограмм, - Качалов показывает на прозрачный сверкающий сталагмит. - А 300-килограммовый точно такой же, только в пять раз больше. Выкроить из сапфира теоретически можно что угодно.



- А если уронить?

- Теоретически он может разбиться, но для этого, конечно, надо постараться. Он выдерживает сильные удары.
Бешеная конкуренция

- «Монокристалл» возник в 1999 году, то есть вы в бизнесе 16 лет?

- Мы занимаемся выращиванием сапфиров давно, и за последние годы нам удалось существенно оторваться от всех основных конкурентов как по качеству производимого сапфира, так и по себестоимости. То есть мы предлагаем лучшее качество по самым низким ценам в мире. Поэтому сейчас мы являемся самой крупной в мире компанией, производящей сапфир, и занимаем четверть этого рынка. В каждом четвертом смартфоне с сапфиром есть наш материал. Каждый четвертый светодиод сделан с помощью нашего кристалла.

Безусловно, ситуация на рынке напряженная. Поскольку искусственный сапфир востребован лидирующими компаниями, конкуренция бешеная. В этот рынок мечтают войти многие мировые компании, в том числе азиатские, где высок доступ к ресурсам, к высоким технологиям и дешевой рабочей силе. И выше доступ к капиталу, к государственной поддержке. Поэтому конкуренция велика, и мы понимаем, что занимаем лидирующую позицию благодаря технологическому и техническому превосходству.

- И в чем секрет вашего лидерства?

- Мы развиваем технологии быстрее всех в мире в силу технологических традиций. Мы сами производим оборудование, оно и позволяет выращивать лучший в мире сапфир. Это российская разработка, разработка «Монокристалла», которая, в числе прочего, позволяет получать низкие затраты при высоком качестве. И в этом бизнесе невозможно остановиться, взять паузу. Относительно недавно производством сапфира занялся «Самсунг», но даже в борьбе с такими гигантами нам удается поддерживать настолько высокий темп технологий, что наши конкуренты не могут догнать нас, и тот же «Самсунг» уже объявил о выходе из этого бизнеса. Теперь он для нас один из возможных клиентов. Главная задача - поддерживать технологический разрыв. Пока нам это удается, доля на рынке устойчиво растет, и мы этим гордимся.

- Вы занимаетесь только выращиванием сапфиров?

- Это основной бизнес, но мы выпускаем также материалы для солнечной энергетики. Технология достаточно проста: кремневая пластина специальным образом обрабатывается, и при попадании на нее света генерируется электрический ток, который надо собрать и отвести. Для этого необходимы проводники, их помещают на поверхность элемента, - металлизационную пасту. Она делается из разного вида порошков: алюминия, серебра. Мы как раз пасту и производим. Это одна из главных частей солнечного элемента, и именно она ответственна за то, какая часть солнечной работы будет преобразована в электричество. С помощью нашего продукта был создан солнечный элемент с самой большой в мире эффективностью. Именно поэтому наши пасты используются ведущими производителями солнечной энергетики. Это компании Hyundai, Bosch и многие другие. Солнечная энергетика пока, увы, дорогое удовольствие. Поэтому ее применение оправдано в двух случаях: при государственной поддержке, как было в Германии, или в отдаленных районах, где нет электрических сетей.

- Какое образование нужно иметь, чтобы попасть к вам на работу?

- Мы стараемся отбирать сотрудников с техническим образованием. Но образование не главный фактор, потому что не существует на данный момент вузов, готовящих нам профильных специалистов. Поэтому нам нужны люди с хорошими базовыми знаниями, в дальнейшем они проходят дополнительное обучение на «Монокристалле». Мы отбираем тех, кто способен качественно и быстро учиться. Для нас менеджмент - это не те, кто умеет руководить или следить за выполнением процессов, наше главное требование к менеджменту - ежедневное улучшение процессов, которые у нас есть. Это касается и разработки технологий, и производства, и работы с персоналом, закупок, продаж. Каждый сотрудник нашей компании обязан находить способы улучшать работу каждый день. И мы должны не просто каждый день делать свою работу качественнее, чем вчера, но и делать ее дешевле. Нужна ориентация на результат: ведь мы - компания коммерческая, у нас нет других источников финансирования, кроме своего бизнеса.
Где растут сапфиры

Главный менеджер по продукту «Сапфир» Евгений Заложный ведет меня в цех выращивания сапфиров.

- Это и есть уникальная установка выращивания, она позволяет нам производить кристаллы высочайшего качества, - показывает он на серебристый бак-резервуар, на котором мигает несколько кнопок.

Баков очень много, и в голову лезут кадры фантастических фильмов про клонирование.

- Внутрь установки загружается сверхчистый оксид алюминия, при температуре немногим более 2000 градусов по Цельсию он начинает плавиться. Затем в расплав помещается охлаждаемый и специальным образом подготовленный кусочек сапфира, на котором в особом порядке начинает кристаллизоваться сапфировый расплав. В процессе роста кристалл постепенно разрастается и увеличивается в размерах.

- Он вверх растет?

- Нет, наоборот.

- А оксид алюминия вы сами делаете?

- Нет, вынуждены закупать за границей. В России, к сожалению, такого чистого сырья нет.

- Сколько нужно времени для выращивания одного кристалла?

- Несколько недель. Точнее сказать не могу, это коммерческая тайна. Однако могу добавить, что завод работает круглосуточно, потому что процесс выращивания сапфира практически непрерывный.

- Сколько одновременно выращивается кристаллов?

- Это тоже секрет.

- А что происходит, когда кристалл вырастает?

- Его извлекают из установки и охлаждают.

Вижу специальные подъемники над ростовой установкой и спрашиваю своего провожатого, для чего они нужны. Евгений отвечает, что поскольку все кристаллы весят сто и больше килограммов, достать их из установки вручную очень трудно. Приходится прибегать к помощи технических средств.

Мы подходим к одному из новорожденных кристаллов, который расчерчен, словно туша коровы на плакате.

- На нем отмечено, какая продукция из него будет изготовлена. Его зафиксировали, и дальше он отправляется на высверливание, - объясняет Евгений.

- Я так понимаю, что эта работа настолько точная, что выполнить ее может только компьютер?

- Какие-то грубые операции можно сделать вручную, но в основном все компьютеризировано, чтобы получилась идеальная цилиндрическая структура.

Следующий кристалл, который я вижу, уже прошел стадию высверливания и частично полый. Евгений несколько раз убедительно просит меня не трогать края.

- Вы можете порезаться, край очень острый. Высверливаем мы алмазными сверлами, только они могут справиться с твердостью сапфира. Кстати, искусственный сапфир отличается от натурального еще одним свойством. Натуральный очень напряженный, в том смысле что воздействие на него может нарушить кристаллическую структуру и привести к деформации. Синтетический сапфир не разрушается при аналогичных воздействиях.

- То есть натуральные проигрывают по физико-химическим параметрам?

- Конечно, у них нет идеальной кристаллической решетки. Эти цилиндры после небольшой обработки мы можем продавать нашим клиентам или изготовить из них пластины. Те самые, которые потом используются для производства светодиодов.

- А куда идет остов кристалла после высверливания?

- Мы его можем продать даже в таком виде, а можем использовать дальше для изготовления небольших изделий.

В следующем помещении выстроились в длинный ряд закрытые со всех сторон блестящие станки.

- Это наша проволочная резка - первый этап создания сапфировой пластины из цилиндра. В станке несколько десятков километров алмазированной проволоки, которая одновременно разрезает цилиндр на несколько сотен пластин.

Следующий этап - шлифовка. Пластины шлифуются с двух сторон и передаются на полировку.

Заходим в лифт и едем на другой этаж, где происходит полировка сапфира. Идем по коридору между стеклянными стенами, за ними люди в защитных костюмах заняты работой. Евгений объясняет, что полируются пластины специальными суспензиями, которые позволяют обеспечить требуемые заказчиком геометрические параметры, а также идеально гладкую рабочую сторону, что очень важно для производства качественных светодиодов. За стеклом вижу длинную стальную емкость, разделенную на несколько секций с жидкостью. Рука робота достает коробку с пластинами из одной секции и опускает в другую. Интересуюсь у Евгения, что это за водные процедуры.

- На самом деле в ваннах не вода, а химически активные растворы, они удаляют поверхностные загрязнения, оставшиеся после предыдущих стадий обработки. В каждой ванне - другой раствор.

Евгений подводит меня к стеклянной стене, за которой расположены блестящие машины в форме куба. Машины управляются людьми уже в других защитных костюмах и специальной обуви. Из открытых частей тела - одни глаза, лицо закрывает специальная маска.

- Перед вами - установки мегазвуковой отмывки. Они позволяют удалять с пластин частицы микроскопических размеров с помощью пузырьков моющей жидкости, возникающих под воздействием высокочастотных звуковых волн. Кстати, на этом этапе необходима очень высокая чистота воздуха. Качество светодиодов начинается с качества и чистоты пластин. Имеющийся у нас класс чистоты в 100 частиц на кубический метр позволяет нашим потребителям сразу использовать эти пластины в производстве без дополнительных подготовительных операций.

- А что касается логистики? Как вы вывозите продукт?

- С логистикой все нормально, - загадочно говорит Евгений, и я понимаю, что это очередная коммерческая тайна.

- В нашем аграрном крае такой оазис высоких технологий - это просто какая-то фантастика...

- Это да, оборудование и измерительные приборы у нас лучшие в мире. И люди, которые на них работают, - лучшие. У нас есть специальная система поощрений, мы постоянно ждем от сотрудников интересных предложений, чтобы улучшить производственный процесс и сделать нашу компанию более конкурентоспособной. Такое предложение может внести любой сотрудник, а трудятся у нас больше тысячи человек.

Лариса Бахмацкая
Источник

Жми на кнопку, чтобы подписаться на "Как это сделано"!



Если у вас есть производство или сервис, о котором вы хотите рассказать нашим читателям, пишите Аслану (shauey@yandex.ru) и мы сделаем самый лучший репортаж, который увидят не только читатели сообщества, но и сайта Как это сделано

Подписывайтесь также на наши группы в фейсбуке, вконтакте, одноклассниках и в гугл+плюс, где будут выкладываться самое интересное из сообщества, плюс материалы, которых нет здесь и видео о том, как устроены вещи в нашем мире.

Жми на иконку и подписывайся!