Monokryształy występują rzadko w naturze, a nawet jeśli występują, są zazwyczaj bardzo małe – zazwyczaj rzędu milimetra (mm) – i trudne do zdobycia. Zgłaszane diamenty, szmaragdy, agaty itp. zazwyczaj nie trafiają do obrotu rynkowego, nie mówiąc już o zastosowaniach przemysłowych; większość z nich jest eksponowana w muzeach na wystawach. Jednak niektóre monokryształy mają znaczącą wartość przemysłową, na przykład monokryształ krzemu w przemyśle układów scalonych, szafir powszechnie stosowany w soczewkach optycznych oraz węglik krzemu, który zyskuje na popularności w półprzewodnikach trzeciej generacji. Możliwość masowej produkcji tych monokryształów na skalę przemysłową nie tylko świadczy o sile technologii przemysłowej i naukowej, ale jest również symbolem bogactwa. Podstawowym wymogiem dla produkcji monokryształów w przemyśle jest ich duży rozmiar, ponieważ jest to klucz do efektywniejszej redukcji kosztów. Poniżej przedstawiono kilka powszechnie spotykanych monokryształów na rynku:
1. Pojedynczy kryształ szafirowy
Monokryształ szafiru to α-Al₂O₃, który ma heksagonalny układ kryształów, twardość 9 w skali Mohsa i stabilne właściwości chemiczne. Jest nierozpuszczalny w kwaśnych lub zasadowych cieczach żrących, odporny na wysokie temperatury oraz charakteryzuje się doskonałą transmisją światła, przewodnością cieplną i izolacją elektryczną.
Jeśli jony Al w krysztale zostaną zastąpione jonami Ti i Fe, kryształ będzie miał kolor niebieski i będzie nazywany szafirem. Po zastąpieniu jonami Cr, będzie miał kolor czerwony i będzie nazywany rubinem. Natomiast szafir przemysłowy to czysty α-Al₂O₃, bezbarwny i przezroczysty, bez zanieczyszczeń.
Szafir przemysłowy zazwyczaj występuje w postaci płytek o grubości 400–700 μm i średnicy 4–8 cali. Są one znane jako płytki i są wycinane z wlewków kryształowych. Poniżej przedstawiono świeżo wyciągniętą wlewkę z pieca monokrystalicznego, jeszcze nieoszlifowaną ani nieciętą.
W 2018 roku firma Jinghui Electronic Company z Mongolii Wewnętrznej z powodzeniem wyhodowała największy na świecie szafirowy kryształ o wadze 450 kg i ultra-dużych rozmiarach. Poprzednim największym szafirowym kryształem na świecie był kryształ o wadze 350 kg, wyprodukowany w Rosji. Jak widać na zdjęciu, kryształ ten ma regularny kształt, jest całkowicie przezroczysty, bez pęknięć i granic ziaren oraz zawiera niewiele pęcherzyków powietrza.
2. Monokrystaliczny krzem
Obecnie monokrystaliczny krzem używany do produkcji układów scalonych charakteryzuje się czystością od 99,9999999% do 99,999999999% (9–11 dziewiątek), a sztabka krzemu o masie 420 kg musi zachować idealną strukturę diamentu. W naturze nawet diament o masie jednego karata (200 mg) jest stosunkowo rzadki.
Globalna produkcja monokrystalicznych wlewków krzemowych jest zdominowana przez pięć głównych firm: japońską Shin-Etsu (28,0%), japońską SUMCO (21,9%), tajwańską GlobalWafers (15,1%), południowokoreańską SK Siltron (11,6%) i niemiecką Siltronic (11,3%). Nawet największy producent płytek półprzewodnikowych w Chinach kontynentalnych, NSIG, posiada zaledwie około 2,3% udziału w rynku. Niemniej jednak, jako nowy gracz na rynku, nie należy lekceważyć jego potencjału. W 2024 roku NSIG planuje zainwestować w projekt modernizacji produkcji płytek krzemowych o średnicy 300 mm do układów scalonych, którego łączna wartość szacowana jest na 13,2 mld jenów.
Jako surowiec do produkcji układów scalonych, monokrystaliczne wlewki krzemowe o wysokiej czystości ewoluują od średnicy 6 cali do 12 cali. Wiodące międzynarodowe odlewnie układów scalonych, takie jak TSMC i GlobalFoundries, wprowadzają na rynek układy scalone z 12-calowych płytek krzemowych, podczas gdy płytki 8-calowe są stopniowo wycofywane. Krajowy lider, SMIC, nadal wykorzystuje głównie płytki 6-calowe. Obecnie tylko japońska firma SUMCO może produkować podłoża o wysokiej czystości dla płytek 12-calowych.
3. Arsenek galu
Płytki z arsenku galu (GaAs) są ważnym materiałem półprzewodnikowym, a ich rozmiar stanowi krytyczny parametr w procesie przygotowania.
Obecnie wafle GaAs są zazwyczaj produkowane w rozmiarach 2 cali, 3 cali, 4 cali, 6 cali, 8 cali i 12 cali. Spośród nich, wafle 6-calowe są jedną z najpopularniejszych specyfikacji.
Maksymalna średnica monokryształów hodowanych metodą poziomego Bridgmana (HB) wynosi zazwyczaj 3 cale (7,6 cm), podczas gdy metoda Czochralskiego w kapsułkach ciekłych (LEC) pozwala na uzyskanie monokryształów o średnicy do 12 cali (30,6 cm). Jednak hodowla LEC wymaga wysokich kosztów sprzętu i prowadzi do uzyskania kryształów o nierównomiernej strukturze i wysokiej gęstości dyslokacji. Metody pionowego zamrażania gradientowego (VGF) i pionowego Bridgmana (VB) pozwalają obecnie na uzyskanie monokryształów o średnicy do 8 cali (20,6 cm), charakteryzujących się stosunkowo jednorodną strukturą i niższą gęstością dyslokacji.
Technologia produkcji 4-calowych i 6-calowych półizolacyjnych polerowanych płytek GaAs jest w dużej mierze opanowywana przez trzy firmy: japońską Sumitomo Electric Industries, niemiecką Freiberger Compound Materials i amerykańską AXT. Do 2015 roku podłoża 6-calowe stanowiły już ponad 90% udziału w rynku.
W 2019 roku globalny rynek podłoży GaAs był zdominowany przez firmy Freiberger, Sumitomo i Beijing Tongmei, z udziałami w rynku odpowiednio 28%, 21% i 13%. Według szacunków firmy konsultingowej Yole, globalna sprzedaż podłoży GaAs (w przeliczeniu na odpowiedniki 2-calowe) osiągnęła około 20 milionów sztuk w 2019 roku i przewiduje się, że do 2025 roku przekroczy 35 milionów sztuk. Globalny rynek podłoży GaAs był wyceniany na około 200 milionów dolarów w 2019 roku i oczekuje się, że do 2025 roku osiągnie wartość 348 milionów dolarów, ze średnioroczną stopą wzrostu (CAGR) na poziomie 9,67% w latach 2019-2025.
4. Monokryształ węglika krzemu
Obecnie rynek w pełni wspiera rozwój monokryształów węglika krzemu (SiC) o średnicy 2 i 3 cali. Wiele firm odnotowało sukcesy w rozwoju monokryształów SiC typu 4H o średnicy 4 cali, co oznacza osiągnięcie przez Chiny światowej klasy poziomu w technologii wzrostu kryształów SiC. Jednak nadal istnieje znaczna luka przed komercjalizacją.
Generalnie, wlewki SiC wytwarzane metodami ciekłymi są stosunkowo małe, o grubości rzędu centymetrów. Jest to również powód wysokich kosztów płytek SiC.
Firma XKH specjalizuje się w badaniach i rozwoju oraz indywidualnym przetwarzaniu rdzeniowych materiałów półprzewodnikowych, w tym szafiru, węglika krzemu (SiC), płytek krzemowych i ceramiki, obejmując cały łańcuch wartości, od wzrostu kryształów po precyzyjną obróbkę. Wykorzystując zintegrowane możliwości przemysłowe, dostarczamy wysokowydajne płytki szafirowe, podłoża z węglika krzemu oraz płytki krzemowe o ultrawysokiej czystości, wspierane przez rozwiązania szyte na miarę, takie jak niestandardowe cięcie, powlekanie powierzchni i produkcja o złożonej geometrii, aby sprostać ekstremalnym wymaganiom środowiskowym w systemach laserowych, produkcji półprzewodników i zastosowaniach w energetyce odnawialnej.
Spełniając standardy jakości, nasze produkty charakteryzują się precyzją na poziomie mikronów, stabilnością termiczną powyżej 1500°C i doskonałą odpornością na korozję, co gwarantuje niezawodność w trudnych warunkach eksploatacji. Dodatkowo dostarczamy podłoża kwarcowe, materiały metaliczne/niemetaliczne oraz inne komponenty klasy półprzewodnikowej, umożliwiając klientom z różnych branż płynne przejście od prototypowania do produkcji masowej.
Czas publikacji: 29.08.2025