Монокристали рідко зустрічаються в природі, і навіть коли вони трапляються, вони зазвичай дуже малі — зазвичай міліметрового (мм) масштабу — і їх важко отримати. Повідомляється, що діаманти, смарагди, агати тощо, як правило, не потрапляють у ринковий обіг, не кажучи вже про промислове застосування; більшість з них виставляються в музеях для експозицій. Однак деякі монокристали мають значну промислову цінність, такі як монокристалічний кремній у виробництві інтегральних схем, сапфір, який зазвичай використовується в оптичних лінзах, і карбід кремнію, який набирає обертів у напівпровідниках третього покоління. Можливість масового виробництва цих монокристалів у промисловості не лише відображає силу в промислових та наукових технологіях, але й є символом багатства. Основною вимогою для виробництва монокристалів у галузі є великий розмір, оскільки це є ключем до ефективнішого зниження витрат. Нижче наведено деякі монокристали, що часто зустрічаються на ринку:
1. Монокристал сапфіру
Монокристалічний сапфір відноситься до α-Al₂O₃, який має гексагональну кристалічну систему, твердість за шкалою Мооса 9 та стабільні хімічні властивості. Він нерозчинний у кислих або лужних агресивних рідинах, стійкий до високих температур, має чудове світлопроникнення, теплопровідність та електроізоляцію.
Якщо іони Al у кристалі замінити іонами Ti та Fe, кристал матиме блакитний колір і називається сапфіром. Якщо ж їх замінити іонами Cr, він матиме червоний колір і називається рубіном. Однак промисловий сапфір — це чистий α-Al₂O₃, безбарвний і прозорий, без домішок.
Промисловий сапфір зазвичай має форму пластин товщиною 400–700 мкм та діаметром 4–8 дюймів. Вони відомі як пластини та вирізаються з кристалічних злитків. Нижче показано щойно витягнутий злиток з печі для монокристалів, ще не полірований або не огранований.
У 2018 році компанія Jinghui Electronic Company у Внутрішній Монголії успішно виростила найбільший у світі надвеликий сапфіровий кристал вагою 450 кг. Попередній найбільший сапфіровий кристал у світі був вироблений у Росії вагою 350 кг. Як видно на зображенні, цей кристал має правильну форму, повністю прозорий, не має тріщин та меж зерен, а також має мало бульбашок.
2. Монокристалічний кремній
Наразі монокристалічний кремній, що використовується для виготовлення мікросхем інтегральних схем, має чистоту від 99,9999999% до 99,999999999% (9–11 дев'яток), а злиток кремнію вагою 420 кг повинен зберігати ідеальну структуру, подібну до алмазу. У природі навіть алмаз вагою в один карат (200 мг) зустрічається відносно рідко.
Глобальне виробництво монокристалічних кремнієвих злитків домінують п'ять основних компаній: японська Shin-Etsu (28,0%), японська SUMCO (21,9%), тайванська GlobalWafers (15,1%), південнокорейська SK Siltron (11,6%) та німецька Siltronic (11,3%). Навіть найбільший виробник напівпровідникових пластин у материковому Китаї, NSIG, займає лише близько 2,3% ринку. Тим не менш, як новачок, його потенціал не слід недооцінювати. У 2024 році NSIG планує інвестувати в проект з модернізації виробництва 300-міліметрових кремнієвих пластин для інтегральних схем, з орієнтовним загальним обсягом інвестицій у 13,2 мільярда ієн.
Як сировина для мікросхем, високочисті монокристалічні кремнієві злитки еволюціонують від 6 до 12 дюймів у діаметрі. Провідні міжнародні ливарні заводи з виробництва мікросхем, такі як TSMC та GlobalFoundries, роблять мікросхеми з 12-дюймових кремнієвих пластин основним продуктом на ринку, тоді як 8-дюймові пластини поступово виводяться з виробництва. Вітчизняний лідер SMIC все ще переважно використовує 6-дюймові пластини. Наразі лише японська SUMCO може виробляти високочисті 12-дюймові підкладки для пластин.
3. Арсенід галію
Пластини арсеніду галію (GaAs) є важливим напівпровідниковим матеріалом, а їхній розмір є критичним параметром у процесі виготовлення.
Наразі пластини GaAs зазвичай виробляються розміром 2 дюйми, 3 дюйми, 4 дюйми, 6 дюймів, 8 дюймів та 12 дюймів. Серед них 6-дюймові пластини є однією з найбільш широко використовуваних специфікацій.
Максимальний діаметр монокристалів, вирощених методом горизонтального Бріджмена (HB), зазвичай становить 3 дюйми, тоді як метод рідинно-інкапсульованого методу Чохральського (LEC) може створювати монокристали діаметром до 12 дюймів. Однак вирощування LEC вимагає високих витрат на обладнання та призводить до кристалів з неоднорідністю та високою щільністю дислокацій. Методи вертикального градієнтного заморожування (VGF) та вертикального Бріджмена (VB) наразі можуть створювати монокристали діаметром до 8 дюймів з відносно однорідною структурою та нижчою щільністю дислокацій.
Технологію виробництва 4-дюймових та 6-дюймових напівізоляційних полірованих пластин GaAs освоюють переважно три компанії: японська Sumitomo Electric Industries, німецька Freiberger Compound Materials та американська AXT. До 2015 року 6-дюймові підкладки вже становили понад 90% ринку.
У 2019 році на світовому ринку підкладок GaAs домінували Freiberger, Sumitomo та Beijing Tongmei з частками ринку 28%, 21% та 13% відповідно. За оцінками консалтингової фірми Yole, світові продажі підкладок GaAs (у перерахунку на 2-дюймові еквіваленти) досягли приблизно 20 мільйонів штук у 2019 році та, за прогнозами, перевищать 35 мільйонів штук до 2025 року. Світовий ринок підкладок GaAs оцінювався приблизно в 200 мільйонів доларів у 2019 році та, як очікується, досягне 348 мільйонів доларів до 2025 року, зі сукупним річним темпом зростання (CAGR) 9,67% з 2019 по 2025 рік.
4. Монокристал карбіду кремнію
Наразі ринок може повністю забезпечити вирощування монокристалів карбіду кремнію (SiC) діаметром 2 та 3 дюйми. Багато компаній повідомили про успішне вирощування 4-дюймових монокристалів SiC типу 4H, що свідчить про досягнення Китаєм світового рівня в технології вирощування кристалів SiC. Однак до комерціалізації ще існує значний прогалина.
Зазвичай, злитки SiC, вирощені рідкофазними методами, є відносно невеликими, з товщиною на рівні сантиметра. Це також є причиною високої вартості пластин SiC.
Компанія XKH спеціалізується на дослідженнях і розробках, а також на індивідуальній обробці основних напівпровідникових матеріалів, включаючи сапфір, карбід кремнію (SiC), кремнієві пластини та кераміку, охоплюючи весь ланцюжок створення вартості від вирощування кристалів до прецизійної обробки. Використовуючи інтегровані промислові можливості, ми пропонуємо високопродуктивні сапфірові пластини, підкладки з карбіду кремнію та кремнієві пластини надвисокої чистоти, що підкріплюються індивідуальними рішеннями, такими як різання на замовлення, нанесення поверхневих покриттів та виготовлення складної геометрії, щоб задовольнити екстремальні екологічні вимоги в лазерних системах, виробництві напівпровідників та застосуванні відновлюваної енергетики.
Дотримуючись стандартів якості, наші продукти вирізняються точністю на мікронному рівні, термостабільністю >1500°C та чудовою корозійною стійкістю, що забезпечує надійність у складних умовах експлуатації. Крім того, ми постачаємо кварцові підкладки, металеві/неметалеві матеріали та інші компоненти напівпровідникового класу, що дозволяє клієнтам з різних галузей промисловості безперешкодно переходити від створення прототипів до масового виробництва.
Час публікації: 29 серпня 2025 р.