Монокристаллы встречаются в природе редко, и даже когда встречаются, они обычно очень малы – обычно порядка миллиметров (мм) – и их трудно получить. Известные алмазы, изумруды, агаты и т. д., как правило, не попадают в рыночный оборот, не говоря уже о промышленном применении; большинство из них экспонируются в музеях. Однако некоторые монокристаллы имеют значительную промышленную ценность, например, монокристаллический кремний в производстве интегральных схем, сапфир, обычно используемый в оптических линзах, и карбид кремния, который набирает популярность в производстве полупроводников третьего поколения. Возможность массового производства этих монокристаллов в промышленных масштабах не только свидетельствует о мощи промышленных и научных технологий, но и является символом богатства. Основным требованием к производству монокристаллов в промышленности являются крупные размеры, поскольку это ключ к более эффективному снижению затрат. Ниже приведены некоторые монокристаллы, часто встречающиеся на рынке:
1. Монокристалл сапфира
Монокристалл сапфира относится к α-Al₂O₃ и имеет гексагональную сингонию, твёрдость по шкале Мооса 9 и стабильные химические свойства. Он нерастворим в едких кислотных и щелочных средах, устойчив к высоким температурам и обладает отличными светопропусканием, теплопроводностью и электроизоляцией.
Если ионы Al в кристалле замещены ионами Ti и Fe, кристалл приобретает синий цвет и называется сапфиром. Если же ионы Cr замещены ионами, кристалл приобретает красный цвет и называется рубином. Однако промышленный сапфир представляет собой чистый α-Al₂O₃, бесцветный и прозрачный, без примесей.
Промышленный сапфир обычно выпускается в виде пластин толщиной 400–700 мкм и диаметром 4–8 дюймов. Они называются пластинами и вырезаются из кристаллических слитков. Ниже показан слиток, только что извлеченный из монокристаллической печи, ещё не отполированный и не огранённый.
В 2018 году компания Jinghui Electronic Company во Внутренней Монголии успешно вырастила самый большой в мире сверхбольшой кристалл сапфира весом 450 кг. До этого крупнейшим в мире кристаллом сапфира был кристалл весом 350 кг, произведенный в России. Как видно на изображении, этот кристалл имеет правильную форму, полностью прозрачен, не имеет трещин и границ зерен, а также содержит мало пузырьков.
2. Монокристаллический кремний
В настоящее время монокристаллический кремний, используемый для производства интегральных схем, имеет чистоту от 99,9999999% до 99,999999999% (9–11 девяток), и слиток кремния весом 420 кг должен сохранять идеальную структуру, подобную алмазу. В природе алмаз даже весом в один карат (200 мг) встречается относительно редко.
В мировом производстве слитков монокристаллического кремния доминируют пять крупнейших компаний: японская Shin-Etsu (28,0%), японская SUMCO (21,9%), тайваньская GlobalWafers (15,1%), южнокорейская SK Siltron (11,6%) и немецкая Siltronic (11,3%). Даже крупнейший производитель полупроводниковых пластин в материковом Китае, NSIG, занимает лишь около 2,3% рынка. Тем не менее, её потенциал, как новичка, нельзя недооценивать. В 2024 году NSIG планирует инвестировать в проект по модернизации производства 300-мм кремниевых пластин для интегральных схем, общий объём инвестиций оценивается в 13,2 млрд иен.
В качестве сырья для микросхем используются слитки высокочистого монокристаллического кремния диаметром от 6 до 12 дюймов. Ведущие международные компании по производству микросхем, такие как TSMC и GlobalFoundries, производят микросхемы из 12-дюймовых кремниевых пластин, которые являются основным направлением рынка, в то время как 8-дюймовые пластины постепенно выводятся из обращения. Лидер на внутреннем рынке, компания SMIC, по-прежнему, в основном, использует 6-дюймовые пластины. В настоящее время только японская компания SUMCO может производить высокочистые 12-дюймовые подложки.
3. Арсенид галлия
Пластины арсенида галлия (GaAs) являются важным полупроводниковым материалом, и их размер является критическим параметром в процессе изготовления.
В настоящее время пластины GaAs обычно выпускаются размером 2, 3, 4, 6, 8 и 12 дюймов. Среди них 6-дюймовые пластины являются одним из наиболее распространённых размеров.
Максимальный диаметр монокристаллов, выращиваемых методом горизонтального Бриджмена (ГБ), обычно составляет 3 дюйма (7,5 см), в то время как метод Чохральского с жидкой инкапсуляцией (ЛИК) позволяет получать монокристаллы диаметром до 12 дюймов (30,5 см). Однако выращивание методом ЛИК требует дорогостоящего оборудования и приводит к получению кристаллов с неоднородной структурой и высокой плотностью дислокаций. Методы вертикального градиентного замораживания (ВГФ) и вертикального Бриджмена (ВБ) в настоящее время позволяют получать монокристаллы диаметром до 8 дюймов (20,5 см) с относительно однородной структурой и более низкой плотностью дислокаций.
Технология производства 4- и 6-дюймовых полуизолирующих полированных пластин GaAs освоена преимущественно тремя компаниями: японской Sumitomo Electric Industries, немецкой Freiberger Compound Materials и американской AXT. К 2015 году доля 6-дюймовых подложек на рынке уже превысила 90%.
В 2019 году на мировом рынке подложек GaAs доминировали компании Freiberger, Sumitomo и Beijing Tongmei с долями рынка 28%, 21% и 13% соответственно. По оценкам консалтинговой компании Yole, мировые продажи подложек GaAs (в пересчёте на 2-дюймовый эквивалент) достигли примерно 20 миллионов штук в 2019 году и, по прогнозам, превысят 35 миллионов штук к 2025 году. Мировой рынок подложек GaAs оценивался примерно в 200 миллионов долларов США в 2019 году и, как ожидается, достигнет 348 миллионов долларов США к 2025 году, при среднегодовом темпе роста (CAGR) 9,67% в период с 2019 по 2025 год.
4. Монокристалл карбида кремния
В настоящее время рынок полностью обеспечивает рост монокристаллов карбида кремния (SiC) диаметром 2 и 3 дюйма. Многие компании сообщают об успешном выращивании монокристаллов SiC типа 4H диаметром 4 дюйма, что свидетельствует о достижении Китаем мирового уровня в технологии выращивания кристаллов SiC. Однако до коммерциализации этих технологий всё ещё существует значительный разрыв.
Как правило, слитки SiC, выращенные жидкофазными методами, имеют относительно небольшие размеры, их толщина составляет порядка сантиметра. Это также является причиной высокой стоимости пластин SiC.
Компания XKH специализируется на исследованиях и разработках, а также на индивидуальной обработке основных полупроводниковых материалов, включая сапфир, карбид кремния (SiC), кремниевые пластины и керамику, охватывая всю цепочку создания стоимости: от выращивания кристаллов до прецизионной обработки. Используя интегрированные промышленные возможности, мы предлагаем высокопроизводительные сапфировые пластины, подложки из карбида кремния и сверхчистые кремниевые пластины, а также индивидуальные решения, такие как резка по индивидуальному заказу, нанесение покрытий на поверхность и изготовление изделий сложной геометрии, для удовлетворения экстремальных экологических требований в лазерных системах, производстве полупроводников и системах возобновляемой энергетики.
Соответствуя высоким стандартам качества, наша продукция отличается микронной точностью, термостойкостью более 1500 °C и превосходной коррозионной стойкостью, что гарантирует надёжность в суровых условиях эксплуатации. Кроме того, мы поставляем кварцевые подложки, металлические и неметаллические материалы и другие компоненты полупроводникового класса, обеспечивая клиентам из разных отраслей плавный переход от прототипирования к серийному производству.
Время публикации: 29 августа 2025 г.