Enkelkristallen zijn zeldzaam in de natuur, en zelfs als ze voorkomen, zijn ze meestal erg klein – typisch in de orde van millimeters – en moeilijk te verkrijgen. Gerapporteerde diamanten, smaragden, agaten, enzovoort, komen over het algemeen niet op de markt terecht, laat staan dat ze industrieel worden toegepast; de meeste worden tentoongesteld in musea. Sommige enkelkristallen hebben echter een aanzienlijke industriële waarde, zoals enkelkristallijn silicium in de geïntegreerde schakelingenindustrie, saffier dat veelvuldig wordt gebruikt in optische lenzen, en siliciumcarbide, dat aan populariteit wint in de derde generatie halfgeleiders. De mogelijkheid om deze enkelkristallen industrieel op grote schaal te produceren, vertegenwoordigt niet alleen de kracht van industriële en wetenschappelijke technologie, maar is ook een symbool van rijkdom. De belangrijkste vereiste voor de productie van enkelkristallen in de industrie is een groot formaat, omdat dit essentieel is om de kosten effectiever te verlagen. Hieronder staan enkele veelvoorkomende enkelkristallen op de markt:
1. Saffierkristal
Een saffierkristal verwijst naar α-Al₂O₃, dat een hexagonaal kristalsysteem heeft, een Mohs-hardheid van 9 en stabiele chemische eigenschappen. Het is onoplosbaar in zure of alkalische corrosieve vloeistoffen, bestand tegen hoge temperaturen en vertoont een uitstekende lichtdoorlatendheid, thermische geleidbaarheid en elektrische isolatie.
Als de Al-ionen in het kristal worden vervangen door Ti- en Fe-ionen, krijgt het kristal een blauwe kleur en wordt het saffier genoemd. Als ze worden vervangen door Cr-ionen, krijgt het een rode kleur en wordt het robijn genoemd. Industriële saffier is echter zuiver α-Al₂O₃, kleurloos en transparant, zonder onzuiverheden.
Industrieel saffier heeft doorgaans de vorm van schijven met een dikte van 400-700 μm en een diameter van 4-8 inch. Deze schijven worden gesneden uit kristalstaven. Hieronder is een vers getrokken staaf uit een enkelkristaloven te zien, die nog niet gepolijst of gesneden is.
In 2018 heeft Jinghui Electronic Company in Binnen-Mongolië met succes 's werelds grootste ultragrote saffierkristal gekweekt, met een gewicht van 450 kg. Het vorige record voor het grootste saffierkristal ter wereld was een kristal van 350 kg, geproduceerd in Rusland. Zoals te zien op de afbeelding, heeft dit kristal een regelmatige vorm, is het volledig transparant, vrij van scheuren en korrelgrenzen, en bevat het weinig luchtbellen.
2. Monokristallijn silicium
Momenteel heeft silicium met een monokristallijne structuur, gebruikt voor geïntegreerde schakelingen, een zuiverheid van 99,9999999% tot 99,999999999% (9-11 negens), en een siliciumstaaf van 420 kg moet een perfecte, diamantachtige structuur behouden. In de natuur is zelfs een diamant van één karaat (200 mg) relatief zeldzaam.
De wereldwijde productie van siliciumblokken van éénkristal wordt gedomineerd door vijf grote bedrijven: het Japanse Shin-Etsu (28,0%), het Japanse SUMCO (21,9%), het Taiwanese GlobalWafers (15,1%), het Zuid-Koreaanse SK Siltron (11,6%) en het Duitse Siltronic (11,3%). Zelfs de grootste fabrikant van halfgeleiderwafels in China, NSIG, heeft slechts een marktaandeel van ongeveer 2,3%. Desondanks mag het potentieel van NSIG als nieuwkomer niet worden onderschat. In 2024 is NSIG van plan te investeren in een project om de productie van 300 mm siliciumwafels voor geïntegreerde schakelingen te moderniseren, met een geschatte totale investering van ¥13,2 miljard.
Als grondstof voor chips evolueren hoogzuivere, monokristallijne siliciumblokken van 6-inch naar 12-inch diameters. Toonaangevende internationale chipfabrikanten, zoals TSMC en GlobalFoundries, maken chips van 12-inch siliciumwafers tot de gangbare markt, terwijl 8-inch wafers geleidelijk worden uitgefaseerd. De binnenlandse marktleider SMIC gebruikt nog steeds voornamelijk 6-inch wafers. Momenteel is alleen het Japanse SUMCO in staat om hoogzuivere 12-inch wafersubstraten te produceren.
3. Galliumarsenide
Galliumarsenide (GaAs) wafers zijn een belangrijk halfgeleidermateriaal en hun afmetingen zijn een cruciale parameter in het productieproces.
GaAs-wafers worden momenteel doorgaans geproduceerd in de formaten 2 inch, 3 inch, 4 inch, 6 inch, 8 inch en 12 inch. Van deze formaten is de 6-inch wafer een van de meest gebruikte.
De maximale diameter van eenkristallen die met de horizontale Bridgman-methode (HB) worden gekweekt, is doorgaans 7,6 cm (3 inch), terwijl de vloeistof-ingekapselde Czochralski-methode (LEC) eenkristallen met een diameter tot 30,6 cm (12 inch) kan produceren. LEC-groei vereist echter hoge apparatuurkosten en levert kristallen op met een ongelijkmatige structuur en een hoge dislocatiedichtheid. De verticale gradiëntvriesmethode (VGF) en de verticale Bridgman-methode (VB) kunnen momenteel eenkristallen produceren met een diameter tot 20,3 cm (8 inch), met een relatief uniforme structuur en een lagere dislocatiedichtheid.
De productietechnologie voor 4-inch en 6-inch halfgeleidende, gepolijste GaAs-wafers wordt voornamelijk beheerst door drie bedrijven: het Japanse Sumitomo Electric Industries, het Duitse Freiberger Compound Materials en het Amerikaanse AXT. In 2015 vertegenwoordigden 6-inch substraten al meer dan 90% van het marktaandeel.
In 2019 werd de wereldwijde markt voor GaAs-substraten gedomineerd door Freiberger, Sumitomo en Beijing Tongmei, met respectievelijk 28%, 21% en 13% marktaandeel. Volgens schattingen van adviesbureau Yole bedroeg de wereldwijde verkoop van GaAs-substraten (omgerekend naar 2-inch equivalenten) in 2019 ongeveer 20 miljoen stuks en zal deze naar verwachting in 2025 de 35 miljoen stuks overschrijden. De wereldwijde markt voor GaAs-substraten had in 2019 een waarde van circa $200 miljoen en zal naar verwachting in 2025 $348 miljoen bereiken, met een samengestelde jaarlijkse groei (CAGR) van 9,67% tussen 2019 en 2025.
4. Siliciumcarbide eenkristal
Momenteel kan de markt de groei van siliciumcarbide (SiC) eenkristallen met een diameter van 2 en 3 inch volledig ondersteunen. Veel bedrijven hebben succesvolle groei van 4-inch 4H-type SiC-eenkristallen gerapporteerd, wat aangeeft dat China een wereldklasse niveau heeft bereikt op het gebied van SiC-kristalgroeitechnologie. Er is echter nog een aanzienlijke kloof te overbruggen voordat commercialisering mogelijk is.
Over het algemeen zijn SiC-blokken die met vloeistoffasemethoden worden gekweekt relatief klein, met een dikte van enkele centimeters. Dit is ook een reden voor de hoge kosten van SiC-wafers.
XKH is gespecialiseerd in onderzoek en ontwikkeling en de verwerking op maat van essentiële halfgeleidermaterialen, waaronder saffier, siliciumcarbide (SiC), siliciumwafers en keramiek. We bestrijken de volledige waardeketen, van kristalgroei tot precisiebewerking. Dankzij onze geïntegreerde industriële mogelijkheden leveren we hoogwaardige saffierwafers, siliciumcarbidesubstraten en ultrazuivere siliciumwafers, ondersteund door oplossingen op maat zoals snijden op maat, oppervlaktecoating en de fabricage van complexe geometrieën. Hiermee voldoen we aan de extreme eisen van lasersystemen, halfgeleiderproductie en toepassingen in de duurzame energie.
Onze producten voldoen aan hoge kwaliteitsnormen en kenmerken zich door precisie op micronniveau, thermische stabiliteit van >1500 °C en superieure corrosiebestendigheid, waardoor betrouwbaarheid onder zware bedrijfsomstandigheden gegarandeerd is. Daarnaast leveren we kwartssubstraten, metalen/niet-metalen materialen en andere halfgeleidercomponenten, waardoor klanten in diverse sectoren naadloos van prototyping naar massaproductie kunnen overstappen.
Geplaatst op: 29 augustus 2025