Monokryštály sú v prírode zriedkavé a aj keď sa vyskytnú, zvyčajne sú veľmi malé – typicky v milimetrovom (mm) meradle – a ťažko sa dajú získať. Hlásené diamanty, smaragdy, acháty atď. sa vo všeobecnosti nedostávajú do obehu na trhu, nieto ešte do priemyselných aplikácií; väčšina z nich je vystavená v múzeách. Niektoré monokryštály však majú významnú priemyselnú hodnotu, ako napríklad monokryštálový kremík v priemysle integrovaných obvodov, zafír bežne používaný v optických šošovkách a karbid kremíka, ktorý naberá na obrátkach v polovodičoch tretej generácie. Schopnosť hromadne vyrábať tieto monokryštály priemyselne nielenže predstavuje silu v priemyselnej a vedeckej technológii, ale je aj symbolom bohatstva. Primárnou požiadavkou na výrobu monokryštálov v tomto priemysle je veľká veľkosť, pretože je kľúčom k efektívnejšiemu znižovaniu nákladov. Nižšie sú uvedené niektoré bežne sa vyskytujúce monokryštály na trhu:
1. Zafírový monokryštál
Zafírový monokryštál označuje α-Al₂O₃, ktorý má hexagonálny kryštálový systém, tvrdosť podľa Mohsa 9 a stabilné chemické vlastnosti. Je nerozpustný v kyslých alebo alkalických korozívnych kvapalinách, odolný voči vysokým teplotám a vykazuje vynikajúcu priepustnosť svetla, tepelnú vodivosť a elektrickú izoláciu.
Ak sú ióny Al v kryštáli nahradené iónmi Ti a Fe, kryštál sa javí ako modrý a nazýva sa zafír. Ak sú nahradené iónmi Cr, javí sa ako červený a nazýva sa rubín. Priemyselný zafír je však čistý α-Al₂O₃, bezfarebný a priehľadný, bez nečistôt.
Priemyselný zafír má zvyčajne formu doštičiek s hrúbkou 400 – 700 μm a priemerom 4 – 8 palcov. Tieto sú známe ako doštičky a sú vyrezané z krištáľových ingotov. Nižšie je zobrazený čerstvo vytiahnutý ingot z pece na monokryštály, ktorý ešte nebol leštený ani vybrúsený.
V roku 2018 spoločnosť Jinghui Electronic Company vo Vnútornom Mongolsku úspešne vypestovala najväčší ultraveľký zafírový kryštál na svete s hmotnosťou 450 kg. Predchádzajúci najväčší zafírový kryštál na svete bol 350 kg kryštál vyrobený v Rusku. Ako je vidieť na obrázku, tento kryštál má pravidelný tvar, je úplne priehľadný, bez trhlín a hraníc zŕn a má málo bublín.
2. Monokryštálový kremík
V súčasnosti má monokryštalický kremík používaný na výrobu integrovaných obvodov čistotu 99,9999999 % až 99,999999999 % (9 – 11 deviatok) a kremíkový ingot s hmotnosťou 420 kg si musí zachovať dokonalú štruktúru podobnú diamantu. V prírode je dokonca aj jednokarátový (200 mg) diamant relatívne vzácny.
Globálnej produkcii monokryštálových kremíkových ingotov dominuje päť hlavných spoločností: japonská Shin-Etsu (28,0 %), japonská SUMCO (21,9 %), taiwanská GlobalWafers (15,1 %), juhokórejská SK Siltron (11,6 %) a nemecká Siltronic (11,3 %). Dokonca aj najväčší výrobca polovodičových doštičiek v pevninskej Číne, NSIG, drží len približne 2,3 % podiel na trhu. Napriek tomu by sa jeho potenciál ako nováčika nemal podceňovať. V roku 2024 plánuje NSIG investovať do projektu modernizácie výroby 300 mm kremíkových doštičiek pre integrované obvody s odhadovanou celkovou investíciou 13,2 miliardy jenov.
Ako surovina pre čipy sa vyvíjajú vysoko čisté monokryštalické kremíkové ingoty s priemerom od 6 palcov do 12 palcov. Popredné medzinárodné zlievarne čipov, ako napríklad TSMC a GlobalFoundries, vyrábajú čipy z 12-palcových kremíkových doštičiek ako hlavný prúd na trhu, zatiaľ čo 8-palcové doštičky sa postupne vyraďujú. Domáci líder SMIC stále používa predovšetkým 6-palcové doštičky. V súčasnosti dokáže iba japonská spoločnosť SUMCO vyrábať vysoko čisté 12-palcové substráty doštičiek.
3. Arzenid gália
Doštičky z arsenidu gália (GaAs) sú dôležitým polovodičovým materiálom a ich veľkosť je kritickým parametrom v procese ich prípravy.
V súčasnosti sa GaAs wafery zvyčajne vyrábajú vo veľkostiach 2 palce, 3 palce, 4 palce, 6 palcov, 8 palcov a 12 palcov. Spomedzi nich sú 6-palcové wafery jednou z najpoužívanejších špecifikácií.
Maximálny priemer monokryštálov pestovaných metódou Horizontal Bridgman (HB) je zvyčajne 3 palce, zatiaľ čo metóda Liquid-Encapsulated Czochralski (LEC) dokáže vyrobiť monokryštály s priemerom až do 12 palcov. Rast LEC si však vyžaduje vysoké náklady na zariadenie a vedie k kryštálom s nerovnomernosťou a vysokou hustotou dislokácií. Metódy Vertical Gradient Freeze (VGF) a Vertical Bridgman (VB) dokážu v súčasnosti vyrobiť monokryštály s priemerom až do 8 palcov s relatívne rovnomernou štruktúrou a nižšou hustotou dislokácií.
Technológiu výroby 4-palcových a 6-palcových poloizolačných leštených GaAs doštičiek ovládajú predovšetkým tri spoločnosti: japonská Sumitomo Electric Industries, nemecká Freiberger Compound Materials a americká AXT. Do roku 2015 už 6-palcové substráty tvorili viac ako 90 % podielu na trhu.
V roku 2019 dominovali na globálnom trhu so substrátmi GaAs spoločnosti Freiberger, Sumitomo a Beijing Tongmei s trhovými podielmi 28 %, 21 % a 13 %. Podľa odhadov konzultačnej firmy Yole dosiahol globálny predaj substrátov GaAs (prepočítaný na 2-palcové ekvivalenty) v roku 2019 približne 20 miliónov kusov a predpokladá sa, že do roku 2025 prekročí 35 miliónov kusov. Globálny trh so substrátmi GaAs bol v roku 2019 ocenený na približne 200 miliónov dolárov a očakáva sa, že do roku 2025 dosiahne 348 miliónov dolárov s ročnou mierou rastu (CAGR) 9,67 % od roku 2019 do roku 2025.
4. Monokryštál karbidu kremíka
V súčasnosti trh plne podporuje rast monokryštálov karbidu kremíka (SiC) s priemerom 2 palce a 3 palce. Mnohé spoločnosti hlásili úspešný rast 4-palcových monokryštálov SiC typu 4H, čo znamená, že Čína dosiahla svetovú úroveň v technológii rastu kryštálov SiC. Pred komercializáciou však stále existuje značná medzera.
Vo všeobecnosti sú ingoty SiC vypestované metódami v kvapalnej fáze relatívne malé, s hrúbkou na úrovni centimetrov. To je tiež dôvodom vysokej ceny SiC doštičiek.
Spoločnosť XKH sa špecializuje na výskum a vývoj a zákazkové spracovanie polovodičových materiálov vrátane zafíru, karbidu kremíka (SiC), kremíkových doštičiek a keramiky, pričom pokrýva celý hodnotový reťazec od rastu kryštálov až po presné obrábanie. Využívame integrované priemyselné kapacity a poskytujeme vysokovýkonné zafírové doštičky, substráty z karbidu kremíka a kremíkové doštičky s ultravysokou čistotou, podporované riešeniami na mieru, ako je zákazkové rezanie, povrchová úprava a výroba komplexných geometrií, aby sme splnili extrémne environmentálne požiadavky v laserových systémoch, výrobe polovodičov a aplikáciách obnoviteľnej energie.
Naše produkty sa vyznačujú presnosťou na úrovni mikrónov, tepelnou stabilitou >1500 °C a vynikajúcou odolnosťou proti korózii, čo zaisťuje spoľahlivosť v náročných prevádzkových podmienkach. Okrem toho dodávame kremenné substráty, kovové/nekovové materiály a ďalšie polovodičové komponenty, čo umožňuje bezproblémový prechod od prototypovania k hromadnej výrobe pre klientov z rôznych odvetví.
Čas uverejnenia: 29. augusta 2025