I monocristalli sò rari in natura, è ancu quandu si trovanu, sò generalmente assai chjuchi - tipicamente à scala millimetrica (mm) - è difficiuli d'ottene. I diamanti, smeraldi, agate, ecc. signalati, generalmente ùn entranu micca in circulazione di u mercatu, è ancu menu in applicazioni industriali; a maiò parte sò esposti in i musei per mostre. Tuttavia, alcuni monocristalli anu un valore industriale significativu, cum'è u siliciu monocristallinu in l'industria di i circuiti integrati, u zaffiru cumunemente adupratu in lenti ottiche, è u carburu di siliciu, chì sta guadagnendu slanciu in i semiconduttori di terza generazione. A capacità di pruduce in massa industrialmente questi monocristalli ùn rapprisenta micca solu a forza in a tecnulugia industriale è scientifica, ma hè ancu un simbulu di ricchezza. U requisitu primariu per a pruduzzione di monocristalli in l'industria hè a grande dimensione, postu chì questu hè chjave per riduce i costi in modu più efficace. Quì sottu sò alcuni monocristalli cumunimenti incontrati in u mercatu:
1. Cristallu unicu di zaffiro
U monocristallu di zaffiro si riferisce à α-Al₂O₃, chì hà un sistema di cristalli esagonale, una durezza Mohs di 9 è proprietà chimiche stabili. Hè insolubile in liquidi corrosivi acidi o alcalini, resistente à alte temperature è presenta una trasmissione di luce eccellente, conducibilità termica è isolamentu elettricu.
Sè l'ioni Al in u cristallu sò rimpiazzati da ioni Ti è Fe, u cristallu appare turchinu è si chjama zaffiro. Sè hè rimpiazzatu da ioni Cr, appare rossu è si chjama rubinu. Tuttavia, u zaffiro industriale hè α-Al₂O₃ puru, incolore è trasparente, senza impurità.
U zaffiro industriale si presenta tipicamente in forma di cialde, di 400-700 μm di spessore è di 4-8 pollici di diametru. Quessi sò cunnisciuti cum'è cialde è sò tagliati da lingotti di cristallu. Quì sottu hè mostratu un lingotto appena estratto da un fornu à cristallu unicu, micca ancu lucidatu o tagliatu.
In u 2018, a cumpagnia elettronica Jinghui in Mongolia Interna hà riesciutu à cultivà u più grande cristallu di zaffiro di dimensioni ultra-large di u mondu, di 450 kg. U precedente cristallu di zaffiro più grande di u mondu era un cristallu di 350 kg pruduttu in Russia. Cum'è si vede in l'imagine, questu cristallu hà una forma regulare, hè cumpletamente trasparente, senza crepe è limiti di granu, è hà poche bolle.
2. Siliciu monocristallinu
Attualmente, u siliciu monocristallinu utilizatu per i chip di circuiti integrati hà una purezza da 99,9999999% à 99,999999999% (9-11 nove), è un lingotto di siliciu di 420 kg deve mantene una struttura perfetta simile à quella di un diamante. In natura, ancu un diamante di un caratu (200 mg) hè relativamente raru.
A pruduzzione mundiale di lingotti di siliciu monocristallinu hè duminata da cinque cumpagnie maiò: Shin-Etsu di u Giappone (28,0%), SUMCO di u Giappone (21,9%), GlobalWafers di Taiwan (15,1%), SK Siltron di a Corea di u Sud (11,6%) è Siltronic di a Germania (11,3%). Ancu u più grande produttore di wafer di semiconduttori in Cina continentale, NSIG, detene solu circa u 2,3% di a quota di mercatu. Tuttavia, cum'è novu ghjuntu, u so putenziale ùn deve esse sottovalutatu. In u 2024, NSIG prevede d'investisce in un prughjettu per migliurà a pruduzzione di wafer di siliciu di 300 mm per i circuiti integrati, cù un investimentu tutale stimatu di 13,2 miliardi di ¥.
Cum'è materia prima per i chip, i lingotti di siliciu monocristallinu di alta purezza stanu evolvendu da diametri da 6 pollici à 12 pollici. E principali fonderie di chip internaziunali, cum'è TSMC è GlobalFoundries, stanu rendendu i chip da wafer di siliciu di 12 pollici a corrente principale di u mercatu, mentre chì i wafer di 8 pollici sò gradualmente eliminati. U leader naziunale SMIC usa sempre principalmente wafer di 6 pollici. Attualmente, solu u giapponese SUMCO pò pruduce substrati di wafer di 12 pollici di alta purezza.
3. Arsenuro di galliu
I wafers di arseniuru di galliu (GaAs) sò un materiale semiconduttore impurtante, è a so dimensione hè un parametru criticu in u prucessu di preparazione.
Attualmente, i wafer di GaAs sò tipicamente prudutti in dimensioni di 2 pollici, 3 pollici, 4 pollici, 6 pollici, 8 pollici è 12 pollici. Trà questi, i wafer di 6 pollici sò una di e specifiche più aduprate.
U diametru massimu di i monocristalli cresciuti cù u metudu Horizontal Bridgman (HB) hè generalmente 3 pollici, mentre chì u metudu Liquid-Encapsulated Czochralski (LEC) pò pruduce monocristalli finu à 12 pollici di diametru. Tuttavia, a crescita LEC richiede costi di equipaggiamentu elevati è produce cristalli cù non uniformità è alta densità di dislocazioni. I metudi Vertical Gradient Freeze (VGF) è Vertical Bridgman (VB) ponu attualmente pruduce monocristalli finu à 8 pollici di diametru, cù una struttura relativamente uniforme è una densità di dislocazioni più bassa.
A tecnulugia di pruduzzione per i wafer lucidati di GaAs semi-isolanti di 4 è 6 pollici hè principalmente ammaestrata da trè cumpagnie: Sumitomo Electric Industries di u Giappone, Freiberger Compound Materials di a Germania è AXT di i Stati Uniti. In u 2015, i substrati di 6 pollici rapprisentavanu digià più di u 90% di a quota di mercatu.
In u 2019, u mercatu mundiale di i substrati di GaAs era duminatu da Freiberger, Sumitomo è Beijing Tongmei, cù quote di mercatu di 28%, 21% è 13%, rispettivamente. Sicondu e stime di a sucietà di cunsulenza Yole, e vendite mundiali di substrati di GaAs (cunvertiti in equivalenti di 2 pollici) anu righjuntu circa 20 milioni di pezzi in u 2019 è si prevede chì supereranu i 35 milioni di pezzi entro u 2025. U mercatu mundiale di i substrati di GaAs hè statu valutatu à circa 200 milioni di dollari in u 2019 è si prevede chì ghjunghjerà à 348 milioni di dollari entro u 2025, cù un tassu di crescita annuale cumpostu (CAGR) di 9,67% da u 2019 à u 2025.
4. Monocristallu di Carburu di Siliciu
Attualmente, u mercatu pò sustene cumpletamente a crescita di monocristalli di carburo di siliciu (SiC) di 2 pollici è 3 pollici di diametru. Parechje cumpagnie anu signalatu una crescita riescita di monocristalli SiC di tipu 4H di 4 pollici, chì marca u raggiungimentu di livelli di classe mundiale da parte di a Cina in a tecnulugia di crescita di cristalli SiC. Tuttavia, ci hè sempre una lacuna significativa prima di a cummercializazione.
In generale, i lingotti di SiC cresciuti cù metudi in fase liquida sò relativamente chjuchi, cù spessori à u livellu di u centimetru. Questa hè ancu una ragione per l'altu costu di i wafer di SiC.
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Data di publicazione: 29 d'aostu 2025