Kristal tunggal jarang berlaku, dan walaupun ia berlaku, ia biasanya sangat kecil—biasanya pada skala milimeter (mm)—dan sukar diperoleh. Berlian, zamrud, akik, dsb. yang dilaporkan, secara amnya tidak memasuki peredaran pasaran, apatah lagi aplikasi perindustrian; kebanyakannya dipamerkan di muzium untuk pameran. Walau bagaimanapun, sesetengah kristal tunggal memegang nilai perindustrian yang ketara, seperti silikon kristal tunggal dalam industri litar bersepadu, nilam yang biasa digunakan dalam kanta optik, dan silikon karbida, yang mendapat momentum dalam semikonduktor generasi ketiga. Keupayaan untuk menghasilkan besar-besaran kristal tunggal ini secara industri bukan sahaja mewakili kekuatan dalam teknologi perindustrian dan saintifik tetapi juga merupakan simbol kekayaan. Keperluan utama untuk pengeluaran kristal tunggal dalam industri adalah saiz besar, kerana ini adalah kunci untuk mengurangkan kos dengan lebih berkesan. Berikut adalah beberapa kristal tunggal yang biasa ditemui di pasaran:
1. Kristal Tunggal Nilam
Kristal tunggal nilam merujuk kepada α-Al₂O₃, yang mempunyai sistem kristal heksagon, kekerasan Mohs 9, dan sifat kimia yang stabil. Ia tidak larut dalam cecair mengakis berasid atau beralkali, tahan kepada suhu tinggi, dan mempamerkan penghantaran cahaya yang sangat baik, kekonduksian terma, dan penebat elektrik.
Jika ion Al dalam hablur digantikan dengan ion Ti dan Fe, hablur tersebut kelihatan biru dan dipanggil nilam. Jika digantikan dengan ion Cr, ia kelihatan merah dan dipanggil delima. Walau bagaimanapun, nilam industri adalah α-Al₂O₃ tulen, tidak berwarna dan lutsinar, tanpa kekotoran.
Nilam industri biasanya berbentuk wafer, tebal 400–700 μm dan diameter 4–8 inci. Ini dikenali sebagai wafer dan dipotong daripada jongkong kristal. Ditunjukkan di bawah ialah jongkong yang baru ditarik dari relau kristal tunggal, belum digilap atau dipotong.
Pada 2018, Syarikat Elektronik Jinghui di Inner Mongolia berjaya mengembangkan kristal nilam ultra-besar bersaiz 450 kg terbesar di dunia. Kristal nilam terbesar sebelum ini di dunia ialah kristal seberat 350 kg yang dihasilkan di Rusia. Seperti yang dilihat dalam imej, kristal ini mempunyai bentuk biasa, telus sepenuhnya, bebas daripada retakan dan sempadan butiran, dan mempunyai sedikit buih.
2. Silikon Kristal Tunggal
Pada masa ini, silikon kristal tunggal yang digunakan untuk cip litar bersepadu mempunyai ketulenan 99.9999999% hingga 99.999999999% (9–11 sembilan), dan jongkong silikon 420 kg mesti mengekalkan struktur sempurna seperti berlian. Secara semula jadi, walaupun berlian satu karat (200 mg) agak jarang berlaku.
Pengeluaran global jongkong silikon kristal tunggal dikuasai oleh lima syarikat utama: Shin-Etsu Jepun (28.0%), SUMCO Jepun (21.9%), GlobalWafers Taiwan (15.1%), SK Siltron Korea Selatan (11.6%) dan Siltronic Jerman (11.3%). Malah pengeluar wafer semikonduktor terbesar di tanah besar China, NSIG, hanya memegang kira-kira 2.3% bahagian pasaran. Namun begitu, sebagai pendatang baru, potensinya tidak boleh dipandang remeh. Pada 2024, NSIG merancang untuk melabur dalam projek menaik taraf pengeluaran wafer silikon 300 mm untuk litar bersepadu, dengan anggaran jumlah pelaburan sebanyak ¥13.2 bilion.
Sebagai bahan mentah untuk cip, jongkong silikon kristal tunggal ketulenan tinggi berkembang daripada diameter 6 inci kepada 12 inci. Faundri cip antarabangsa yang terkemuka, seperti TSMC dan GlobalFoundries, menjadikan cip daripada wafer silikon 12 inci sebagai arus perdana pasaran, manakala wafer 8 inci secara beransur-ansur dihapuskan. SMIC peneraju domestik masih menggunakan wafer 6 inci. Pada masa ini, hanya SUMCO Jepun boleh menghasilkan substrat wafer 12 inci ketulenan tinggi.
3. Gallium Arsenide
Wafer gallium arsenide (GaAs) ialah bahan semikonduktor yang penting, dan saiznya merupakan parameter kritikal dalam proses penyediaan.
Pada masa ini, wafer GaAs biasanya dihasilkan dalam saiz 2 inci, 3 inci, 4 inci, 6 inci, 8 inci dan 12 inci. Antaranya, wafer 6 inci adalah salah satu spesifikasi yang paling banyak digunakan.
Diameter maksimum kristal tunggal yang ditanam oleh kaedah Horizontal Bridgman (HB) secara amnya adalah 3 inci, manakala kaedah Cecair-Encapsulated Czochralski (LEC) boleh menghasilkan kristal tunggal sehingga 12 inci diameter. Walau bagaimanapun, pertumbuhan LEC memerlukan kos peralatan yang tinggi dan menghasilkan kristal dengan ketidakseragaman dan ketumpatan terkehel yang tinggi. Kaedah Vertical Gradient Freeze (VGF) dan Vertical Bridgman (VB) pada masa ini boleh menghasilkan kristal tunggal sehingga 8 inci diameter, dengan struktur yang agak seragam dan ketumpatan terkehel yang lebih rendah.
Teknologi pengeluaran untuk wafer bergilap GaAs separa penebat 4 inci dan 6 inci dikuasai terutamanya oleh tiga syarikat: Industri Elektrik Sumitomo Jepun, Bahan Kompaun Freiberger Jerman dan AXT AS. Menjelang 2015, substrat 6-inci sudah menyumbang lebih daripada 90% bahagian pasaran.
Pada 2019, pasaran substrat GaAs global dikuasai oleh Freiberger, Sumitomo, dan Beijing Tongmei, dengan bahagian pasaran masing-masing sebanyak 28%, 21% dan 13%. Menurut anggaran oleh firma perunding Yole, jualan global substrat GaAs (ditukar kepada setara 2 inci) mencecah kira-kira 20 juta keping pada 2019 dan diunjurkan melebihi 35 juta keping menjelang 2025. Pasaran substrat GaAs global bernilai sekitar $200 juta pada 2019 dan dijangka mencapai kadar kompaun tahunan $2025 juta) 9.67% dari 2019 hingga 2025.
4. Kristal Tunggal Silikon Karbida
Pada masa ini, pasaran boleh menyokong sepenuhnya pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida (SiC) berdiameter 2 inci dan 3 inci. Banyak syarikat telah melaporkan kejayaan pertumbuhan kristal tunggal SiC jenis 4H 4-inci, menandakan pencapaian China pada tahap bertaraf dunia dalam teknologi pertumbuhan kristal SiC. Walau bagaimanapun, masih terdapat jurang yang ketara sebelum dikomersialkan.
Umumnya, jongkong SiC yang ditanam dengan kaedah fasa cecair adalah agak kecil, dengan ketebalan pada paras sentimeter. Ini juga merupakan sebab kos tinggi wafer SiC.
XKH pakar dalam R&D dan pemprosesan tersuai bahan semikonduktor teras, termasuk nilam, silikon karbida (SiC), wafer silikon dan seramik, meliputi rantaian nilai penuh daripada pertumbuhan kristal kepada pemesinan ketepatan. Dengan memanfaatkan keupayaan industri bersepadu, kami menyediakan wafer nilam berprestasi tinggi, substrat silikon karbida, dan wafer silikon ketulenan ultra tinggi, disokong oleh penyelesaian yang disesuaikan seperti pemotongan tersuai, salutan permukaan dan fabrikasi geometri kompleks untuk memenuhi permintaan alam sekitar yang melampau dalam sistem laser, aplikasi tenaga semikonduktor dan boleh diperbaharui.
Mematuhi piawaian kualiti, produk kami menampilkan ketepatan tahap mikron, kestabilan terma >1500°C, dan rintangan kakisan yang unggul, memastikan kebolehpercayaan dalam keadaan operasi yang teruk. Selain itu, kami membekalkan substrat kuarza, bahan logam/bukan logam dan komponen gred semikonduktor lain, membolehkan peralihan lancar daripada prototaip kepada pengeluaran besar-besaran untuk pelanggan merentas industri.
Masa siaran: 29 Ogos 2025