I monocristalli sono rari in natura e, anche quando si verificano, sono solitamente molto piccoli, tipicamente nell'ordine dei millimetri (mm), e difficili da ottenere. Diamanti, smeraldi, agate, ecc., di cui si ha notizia, generalmente non entrano in circolazione sul mercato, per non parlare delle applicazioni industriali; la maggior parte viene esposta nei musei per mostre. Tuttavia, alcuni monocristalli hanno un valore industriale significativo, come il silicio monocristallino nell'industria dei circuiti integrati, lo zaffiro comunemente utilizzato nelle lenti ottiche e il carburo di silicio, che sta guadagnando terreno nei semiconduttori di terza generazione. La capacità di produrre in serie questi monocristalli industrialmente non solo rappresenta un punto di forza nella tecnologia industriale e scientifica, ma è anche un simbolo di ricchezza. Il requisito principale per la produzione di monocristalli nel settore è la dimensione elevata, poiché questo è fondamentale per ridurre i costi in modo più efficace. Di seguito sono riportati alcuni monocristalli comunemente presenti sul mercato:
1. Cristallo singolo di zaffiro
Il monocristallo di zaffiro si riferisce all'α-Al₂O₃, che ha un sistema cristallino esagonale, una durezza Mohs pari a 9 e proprietà chimiche stabili. È insolubile in liquidi corrosivi acidi o alcalini, resistente alle alte temperature e presenta eccellenti proprietà di trasmissione della luce, conduttività termica e isolamento elettrico.
Se gli ioni Al nel cristallo vengono sostituiti da ioni Ti e Fe, il cristallo appare blu e viene chiamato zaffiro. Se sostituiti da ioni Cr, appare rosso e viene chiamato rubino. Tuttavia, lo zaffiro industriale è puro α-Al₂O₃, incolore e trasparente, privo di impurità.
Lo zaffiro industriale si presenta tipicamente sotto forma di wafer, spessi 400-700 μm e con un diametro di 10-20 cm. Questi wafer sono noti come wafer e vengono tagliati da lingotti di cristallo. Di seguito è mostrato un lingotto appena estratto da un forno monocristallino, non ancora lucidato o tagliato.
Nel 2018, la Jinghui Electronic Company nella Mongolia Interna ha prodotto con successo il più grande cristallo di zaffiro di dimensioni ultra-large al mondo, del peso di 450 kg. Il precedente cristallo di zaffiro più grande al mondo era un cristallo di 350 kg prodotto in Russia. Come si vede nell'immagine, questo cristallo ha una forma regolare, è completamente trasparente, privo di crepe e bordi di grano e presenta poche bolle.
2. Silicio monocristallino
Attualmente, il silicio monocristallino utilizzato per i chip dei circuiti integrati ha una purezza compresa tra il 99,9999999% e il 99,999999999% (9-11 nove), e un lingotto di silicio da 420 kg deve mantenere una struttura perfetta, simile a quella del diamante. In natura, anche un diamante da un carato (200 mg) è relativamente raro.
La produzione globale di lingotti di silicio monocristallino è dominata da cinque grandi aziende: la giapponese Shin-Etsu (28,0%), la giapponese SUMCO (21,9%), la taiwanese GlobalWafers (15,1%), la sudcoreana SK Siltron (11,6%) e la tedesca Siltronic (11,3%). Persino il più grande produttore di wafer di semiconduttori della Cina continentale, NSIG, detiene solo circa il 2,3% della quota di mercato. Tuttavia, essendo un nuovo arrivato, il suo potenziale non deve essere sottovalutato. Nel 2024, NSIG prevede di investire in un progetto per potenziare la produzione di wafer di silicio da 300 mm per circuiti integrati, con un investimento totale stimato di 13,2 miliardi di yen.
Come materia prima per i chip, i lingotti di silicio monocristallino ad alta purezza stanno evolvendo da diametri di 6 pollici a 12 pollici. Le principali fonderie di chip internazionali, come TSMC e GlobalFoundries, stanno rendendo i chip da wafer di silicio da 12 pollici la soluzione standard del mercato, mentre i wafer da 8 pollici stanno gradualmente scomparendo. Il leader nazionale SMIC utilizza ancora principalmente wafer da 6 pollici. Attualmente, solo la giapponese SUMCO è in grado di produrre substrati per wafer da 12 pollici ad alta purezza.
3. Arseniuro di gallio
I wafer di arseniuro di gallio (GaAs) sono un importante materiale semiconduttore e le loro dimensioni sono un parametro critico nel processo di preparazione.
Attualmente, i wafer di GaAs vengono generalmente prodotti in dimensioni di 2 pollici, 3 pollici, 4 pollici, 6 pollici, 8 pollici e 12 pollici. Tra queste, i wafer da 6 pollici sono una delle specifiche più diffuse.
Il diametro massimo dei monocristalli cresciuti con il metodo Horizontal Bridgman (HB) è generalmente di 3 pollici, mentre il metodo Liquid-Encapsulated Czochralski (LEC) può produrre monocristalli fino a 12 pollici di diametro. Tuttavia, la crescita LEC richiede elevati costi delle attrezzature e produce cristalli con disuniformità e un'elevata densità di dislocazioni. I metodi Vertical Gradient Freeze (VGF) e Vertical Bridgman (VB) possono attualmente produrre monocristalli fino a 8 pollici di diametro, con una struttura relativamente uniforme e una minore densità di dislocazioni.
La tecnologia di produzione per wafer lucidati semi-isolanti in GaAs da 4 e 6 pollici è principalmente gestita da tre aziende: la giapponese Sumitomo Electric Industries, la tedesca Freiberger Compound Materials e la statunitense AXT. Nel 2015, i substrati da 6 pollici rappresentavano già oltre il 90% della quota di mercato.
Nel 2019, il mercato globale dei substrati GaAs è stato dominato da Freiberger, Sumitomo e Beijing Tongmei, con quote di mercato rispettivamente del 28%, 21% e 13%. Secondo le stime della società di consulenza Yole, le vendite globali di substrati GaAs (convertiti in equivalenti da 2 pollici) hanno raggiunto circa 20 milioni di pezzi nel 2019 e si prevede che supereranno i 35 milioni di pezzi entro il 2025. Il mercato globale dei substrati GaAs è stato valutato a circa 200 milioni di dollari nel 2019 e si prevede che raggiungerà i 348 milioni di dollari entro il 2025, con un tasso di crescita annuo composto (CAGR) del 9,67% dal 2019 al 2025.
4. Monocristallo di carburo di silicio
Attualmente, il mercato è in grado di supportare pienamente la crescita di monocristalli di carburo di silicio (SiC) da 2 e 3 pollici di diametro. Molte aziende hanno segnalato la crescita con successo di monocristalli di SiC di tipo 4H da 4 pollici, segnando il raggiungimento da parte della Cina di livelli di eccellenza mondiale nella tecnologia di crescita dei cristalli di SiC. Tuttavia, c'è ancora un divario significativo prima della commercializzazione.
In genere, i lingotti di SiC prodotti con metodi in fase liquida sono relativamente piccoli, con spessori dell'ordine del centimetro. Questo è anche il motivo dell'elevato costo dei wafer di SiC.
XKH è specializzata nella ricerca e sviluppo e nella lavorazione personalizzata di materiali semiconduttori di base, tra cui zaffiro, carburo di silicio (SiC), wafer di silicio e ceramiche, coprendo l'intera catena del valore, dalla crescita dei cristalli alla lavorazione di precisione. Sfruttando capacità industriali integrate, forniamo wafer di zaffiro ad alte prestazioni, substrati di carburo di silicio e wafer di silicio ad altissima purezza, supportati da soluzioni personalizzate come taglio personalizzato, rivestimento superficiale e fabbricazione di geometrie complesse per soddisfare le esigenze ambientali estreme nei sistemi laser, nella fabbricazione di semiconduttori e nelle applicazioni di energia rinnovabile.
Rispettando gli standard qualitativi, i nostri prodotti offrono una precisione al micron, una stabilità termica >1500 °C e un'eccellente resistenza alla corrosione, garantendo affidabilità anche in condizioni operative difficili. Inoltre, forniamo substrati in quarzo, materiali metallici e non metallici e altri componenti di grado semiconduttore, consentendo transizioni fluide dalla prototipazione alla produzione di massa per clienti di tutti i settori.
Data di pubblicazione: 29-08-2025