Монокристаллы встречаются в природе редко, и даже если они и обнаруживаются, то обычно очень малы — как правило, в масштабе миллиметра (мм) — и их трудно добыть. Алмазы, изумруды, агаты и т. д., как правило, не попадают в рыночный оборот, не говоря уже о промышленном применении; большинство из них выставляются в музеях. Однако некоторые монокристаллы имеют значительную промышленную ценность, например, монокристаллический кремний в индустрии интегральных схем, сапфир, широко используемый в оптических линзах, и карбид кремния, который набирает популярность в полупроводниках третьего поколения. Возможность массового промышленного производства этих монокристаллов не только демонстрирует силу в промышленной и научной технологиях, но и является символом богатства. Основное требование к производству монокристаллов в промышленности — это большие размеры, поскольку это ключ к более эффективному снижению затрат. Ниже приведены некоторые часто встречающиеся на рынке монокристаллы:
1. Монокристалл сапфира
Монокристаллический сапфир представляет собой α-Al₂O₃, имеющий гексагональную кристаллическую систему, твердость по шкале Мооса 9 и стабильные химические свойства. Он нерастворим в кислых или щелочных коррозионных жидкостях, устойчив к высоким температурам и обладает превосходной светопроницаемостью, теплопроводностью и электроизоляционными свойствами.
Если ионы Al в кристалле заменить ионами Ti и Fe, кристалл приобретет синий цвет и будет называться сапфиром. Если заменить ионами Cr, он приобретет красный цвет и будет называться рубином. Однако промышленный сапфир представляет собой чистый α-Al₂O₃, бесцветный и прозрачный, без примесей.
Промышленный сапфир обычно представляет собой пластины толщиной 400–700 мкм и диаметром 4–8 дюймов. Эти пластины вырезаются из кристаллических слитков. На фотографии ниже показан свежевытянутый слиток из монокристаллической печи, еще не отполированный и не ограненный.
В 2018 году компания Jinghui Electronic Company во Внутренней Монголии успешно вырастила самый большой в мире сверхкрупный сапфировый кристалл весом 450 кг. Предыдущий рекорд по размеру сапфирового кристалла в мире составлял 350 кг и был произведен в России. Как видно на изображении, этот кристалл имеет правильную форму, полностью прозрачен, не содержит трещин и границ зерен, а также имеет мало пузырьков.
2. Монокристаллический кремний
В настоящее время монокристаллический кремний, используемый для интегральных схем, имеет чистоту от 99,9999999% до 99,999999999% (9–11 девяток), и кремниевый слиток массой 420 кг должен сохранять идеальную алмазоподобную структуру. В природе даже алмаз весом в один карат (200 мг) встречается относительно редко.
В мировом производстве монокристаллических кремниевых слитков 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, как новичок, он не должен недооцениваться. В 2024 году NSIG планирует инвестировать в проект по модернизации производства 300-мм кремниевых пластин для интегральных схем, общий объем инвестиций оценивается в 13,2 миллиарда юаней.
В качестве сырья для микросхем используются высокочистые монокристаллические кремниевые слитки, диаметр которых постепенно увеличивается с 6 до 12 дюймов. Ведущие международные производители микросхем, такие как TSMC и GlobalFoundries, выводят на рынок микросхемы из 12-дюймовых кремниевых пластин, в то время как 8-дюймовые пластины постепенно выводятся из оборота. Лидер отечественного рынка, компания SMIC, по-прежнему преимущественно 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 — критически важный параметр в процессе изготовления.
В настоящее время пластины из арсенида галлия (GaAs) обычно производятся размерами 2, 3, 4, 6, 8 и 12 дюймов. Среди них 6-дюймовые пластины являются одними из наиболее распространенных.
Максимальный диаметр монокристаллов, выращенных методом горизонтального Бриджмена (HB), обычно составляет 3 дюйма, в то время как метод жидкостно-инкапсулированного Чохральского (LEC) позволяет получать монокристаллы диаметром до 12 дюймов. Однако выращивание методом LEC требует высоких затрат на оборудование и приводит к получению кристаллов с неоднородной структурой и высокой плотностью дислокаций. Методы вертикального градиентного замораживания (VGF) и вертикального Бриджмена (VB) в настоящее время позволяют получать монокристаллы диаметром до 8 дюймов с относительно однородной структурой и меньшей плотностью дислокаций.
Технология производства 4-дюймовых и 6-дюймовых полуизолирующих полированных пластин из арсенида галлия (GaAs) в основном освоена тремя компаниями: японской Sumitomo Electric Industries, немецкой Freiberger Compound Materials и американской AXT. К 2015 году на 6-дюймовые подложки уже приходилось более 90% рынка.
В 2019 году на мировом рынке подложек из арсенида галлия (GaAs) доминировали компании Freiberger, Sumitomo и Beijing Tongmei с долями рынка 28%, 21% и 13% соответственно. По оценкам консалтинговой фирмы Yole, мировые продажи подложек из арсенида галлия (в пересчете на 2-дюймовые аналоги) достигли примерно 20 миллионов штук в 2019 году и, по прогнозам, превысят 35 миллионов штук к 2025 году. Мировой рынок подложек из арсенида галлия оценивался примерно в 200 миллионов долларов в 2019 году и, как ожидается, достигнет 348 миллионов долларов к 2025 году, при этом среднегодовой темп роста (CAGR) составит 9,67% в период с 2019 по 2025 год.
4. Монокристалл карбида кремния
В настоящее время рынок полностью поддерживает выращивание монокристаллов карбида кремния (SiC) диаметром 2 и 3 дюйма. Многие компании сообщили 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 еще предстоит пройти значительный путь.
Как правило, слитки карбида кремния, выращенные жидкофазными методами, имеют относительно небольшие размеры, толщиной в несколько сантиметров. Это также является причиной высокой стоимости кремниевых пластин.
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 производственные возможности, мы предлагаем высокопроизводительные сапфировые пластины, подложки из карбида кремния и кремниевые пластины сверхвысокой чистоты, а также индивидуальные решения, такие как резка, нанесение поверхностных покрытий и изготовление сложных геометрических форм, для удовлетворения экстремальных экологических требований в лазерных системах, производстве полупроводников и в области возобновляемой энергетики.
Наша продукция, соответствующая стандартам качества, отличается точностью до микрона, термической стабильностью при температуре выше 1500°C и превосходной коррозионной стойкостью, что обеспечивает надежность в суровых условиях эксплуатации. Кроме того, мы поставляем кварцевые подложки, металлические/неметаллические материалы и другие компоненты полупроводникового класса, обеспечивая бесперебойный переход от прототипирования к серийному производству для клиентов из различных отраслей.
Дата публикации: 29 августа 2025 г.