ผลึกเดี่ยวที่เพิ่งปลูกใหม่

ผลึกเดี่ยวเป็นสิ่งที่หายากในธรรมชาติ และแม้ว่าจะพบได้ก็มักจะมีขนาดเล็กมาก โดยทั่วไปอยู่ในระดับมิลลิเมตร (มม.) และยากต่อการได้มา เพชร มรกต หินโมรา ฯลฯ ที่พบโดยทั่วไปไม่ได้เข้าสู่ระบบการค้าขายในตลาด หรือแม้แต่การใช้งานในอุตสาหกรรม ส่วนใหญ่จะจัดแสดงอยู่ในพิพิธภัณฑ์เท่านั้น อย่างไรก็ตาม ผลึกเดี่ยวบางชนิดมีมูลค่าทางอุตสาหกรรมสูง เช่น ซิลิคอนผลึกเดี่ยวในอุตสาหกรรมวงจรรวม ไพลินที่ใช้กันทั่วไปในเลนส์ และซิลิคอนคาร์ไบด์ ซึ่งกำลังได้รับความนิยมในเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม ความสามารถในการผลิตผลึกเดี่ยวเหล่านี้ในปริมาณมากในระดับอุตสาหกรรมไม่เพียงแต่แสดงถึงความแข็งแกร่งในด้านเทคโนโลยีอุตสาหกรรมและวิทยาศาสตร์เท่านั้น แต่ยังเป็นสัญลักษณ์ของความมั่งคั่งอีกด้วย ข้อกำหนดหลักสำหรับการผลิตผลึกเดี่ยวในอุตสาหกรรมคือขนาดที่ใหญ่ เนื่องจากเป็นกุญแจสำคัญในการลดต้นทุนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ด้านล่างนี้คือผลึกเดี่ยวบางชนิดที่พบได้ทั่วไปในตลาด:

1. แซฟไฟร์คริสตัลเดี่ยว
แซฟไฟร์ผลึกเดี่ยว หมายถึง α-Al₂O₃ ซึ่งมีระบบผลึกแบบหกเหลี่ยม ความแข็งตามมาตราโมห์สเท่ากับ 9 และมีคุณสมบัติทางเคมีที่เสถียร ไม่ละลายในของเหลวที่มีฤทธิ์กัดกร่อนทั้งกรดและด่าง ทนต่ออุณหภูมิสูง และมีคุณสมบัติในการส่งผ่านแสง การนำความร้อน และการเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม

หากไอออนของอะลูมิเนียม (Al) ในผลึกถูกแทนที่ด้วยไอออนของไทเทเนียม (Ti) และเหล็ก (Fe) ผลึกจะปรากฏเป็นสีน้ำเงินและเรียกว่าแซฟไฟร์ หากถูกแทนที่ด้วยไอออนของโครเมียม (Cr) จะปรากฏเป็นสีแดงและเรียกว่าทับทิม อย่างไรก็ตาม แซฟไฟร์ที่ใช้ในอุตสาหกรรมเป็น α-Al₂O₃ บริสุทธิ์ ไม่มีสีและโปร่งใส ปราศจากสิ่งเจือปน

โดยทั่วไปแล้วแซฟไฟร์อุตสาหกรรมจะมีลักษณะเป็นแผ่นบางๆ หนา 400–700 ไมโครเมตร และมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 4–8 นิ้ว แผ่นเหล่านี้เรียกว่าเวเฟอร์ และถูกตัดมาจากแท่งผลึก ภาพด้านล่างแสดงแท่งผลึกที่เพิ่งดึงออกมาจากเตาหลอมผลึกเดี่ยว ซึ่งยังไม่ได้ขัดเงาหรือตัดแต่ง

ในปี 2018 บริษัท Jinghui Electronic ในมองโกเลียในประสบความสำเร็จในการเพาะเลี้ยงผลึกแซฟไฟร์ขนาดใหญ่ที่สุดในโลก โดยมีน้ำหนักถึง 450 กิโลกรัม ก่อนหน้านี้ผลึกแซฟไฟร์ที่ใหญ่ที่สุดในโลกมีน้ำหนัก 350 กิโลกรัม ซึ่งผลิตในรัสเซีย ดังที่เห็นในภาพ ผลึกนี้มีรูปร่างสม่ำเสมอ โปร่งใสอย่างสมบูรณ์ ปราศจากรอยแตกและขอบเขตของผลึก และมีฟองอากาศเพียงเล็กน้อย

2. ซิลิคอนผลึกเดี่ยว
ปัจจุบัน ซิลิคอนผลึกเดี่ยวที่ใช้สำหรับชิปวงจรรวมมีความบริสุทธิ์ 99.9999999% ถึง 99.999999999% (มีเลขเก้า 9 ถึง 11 ตัว) และแท่งซิลิคอนหนัก 420 กิโลกรัมต้องคงโครงสร้างที่สมบูรณ์แบบคล้ายเพชรไว้ ในธรรมชาติ แม้แต่เพชรขนาด 1 กะรัต (200 มิลลิกรัม) ก็ถือว่าหายากมาก

การผลิตแท่งซิลิคอนผลึกเดี่ยวทั่วโลกถูกครอบงำโดยบริษัทใหญ่ 5 แห่ง ได้แก่ Shin-Etsu ของญี่ปุ่น (28.0%), SUMCO ของญี่ปุ่น (21.9%), GlobalWafers ของไต้หวัน (15.1%), SK Siltron ของเกาหลีใต้ (11.6%) และ Siltronic ของเยอรมนี (11.3%) แม้แต่ผู้ผลิตเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์รายใหญ่ที่สุดในจีนแผ่นดินใหญ่อย่าง NSIG ก็มีส่วนแบ่งการตลาดเพียงประมาณ 2.3% เท่านั้น อย่างไรก็ตาม ในฐานะผู้เข้ามาใหม่ ศักยภาพของ NSIG ไม่ควรถูกมองข้าม ในปี 2024 NSIG วางแผนที่จะลงทุนในโครงการยกระดับการผลิตเวเฟอร์ซิลิคอนขนาด 300 มม. สำหรับวงจรรวม โดยมีมูลค่าการลงทุนโดยประมาณ 13.2 พันล้านหยวน

ซิลิคอนผลึกเดี่ยวความบริสุทธิ์สูงซึ่งเป็นวัตถุดิบในการผลิตชิป กำลังพัฒนาจากขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 6 นิ้วไปเป็น 12 นิ้ว โรงงานผลิตชิปชั้นนำระดับนานาชาติ เช่น TSMC และ GlobalFoundries กำลังทำให้ชิปจากแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนขนาด 12 นิ้วกลายเป็นสินค้าหลักในตลาด ในขณะที่แผ่นเวเฟอร์ขนาด 8 นิ้วกำลังค่อยๆ ถูกเลิกใช้ไป ส่วน SMIC ซึ่งเป็นผู้นำในประเทศ ยังคงใช้แผ่นเวเฟอร์ขนาด 6 นิ้วเป็นหลัก ปัจจุบัน มีเพียง SUMCO ของญี่ปุ่นเท่านั้นที่สามารถผลิตแผ่นเวเฟอร์ขนาด 12 นิ้วที่มีความบริสุทธิ์สูงได้

3. แกลเลียมอาร์เซไนด์
แผ่นเวเฟอร์แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่สำคัญ และขนาดของแผ่นเวเฟอร์เป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญยิ่งในกระบวนการเตรียมการ

ปัจจุบัน แผ่นเวเฟอร์ GaAs มักผลิตในขนาด 2 นิ้ว, 3 นิ้ว, 4 นิ้ว, 6 นิ้ว, 8 นิ้ว และ 12 นิ้ว โดยในจำนวนนี้ แผ่นเวเฟอร์ขนาด 6 นิ้วเป็นหนึ่งในขนาดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด

โดยทั่วไปแล้ว ผลึกเดี่ยวที่ปลูกด้วยวิธี Horizontal Bridgman (HB) จะมีเส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุด 3 นิ้ว ในขณะที่วิธี Liquid-Encapsulated Czochralski (LEC) สามารถผลิตผลึกเดี่ยวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางได้ถึง 12 นิ้ว อย่างไรก็ตาม การปลูกด้วยวิธี LEC ต้องใช้อุปกรณ์ที่มีราคาสูงและให้ผลึกที่มีความไม่สม่ำเสมอและมีความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อนสูง ส่วนวิธี Vertical Gradient Freeze (VGF) และ Vertical Bridgman (VB) ในปัจจุบันสามารถผลิตผลึกเดี่ยวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางได้ถึง 8 นิ้ว โดยมีโครงสร้างที่ค่อนข้างสม่ำเสมอและมีความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อนต่ำกว่า

เทคโนโลยีการผลิตแผ่นเวเฟอร์ GaAs ขัดเงาแบบกึ่งฉนวนขนาด 4 นิ้วและ 6 นิ้วนั้น ส่วนใหญ่ถูกควบคุมโดยสามบริษัท ได้แก่ Sumitomo Electric Industries ของญี่ปุ่น, Freiberger Compound Materials ของเยอรมนี และ AXT ของสหรัฐอเมริกา โดยในปี 2015 แผ่นเวเฟอร์ขนาด 6 นิ้วครองส่วนแบ่งการตลาดมากกว่า 90% แล้ว

ในปี 2019 ตลาดแผ่นรองพื้น GaAs ทั่วโลกถูกครอบงำโดย Freiberger, Sumitomo และ Beijing Tongmei โดยมีส่วนแบ่งการตลาด 28%, 21% และ 13% ตามลำดับ จากการประมาณการของบริษัทที่ปรึกษา Yole ยอดขายแผ่นรองพื้น GaAs ทั่วโลก (แปลงเป็นขนาดเทียบเท่า 2 นิ้ว) อยู่ที่ประมาณ 20 ล้านชิ้นในปี 2019 และคาดว่าจะเกิน 35 ล้านชิ้นภายในปี 2025 ตลาดแผ่นรองพื้น GaAs ทั่วโลกมีมูลค่าประมาณ 200 ล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2019 และคาดว่าจะสูงถึง 348 ล้านดอลลาร์สหรัฐภายในปี 2025 โดยมีอัตราการเติบโตเฉลี่ยต่อปี (CAGR) 9.67% ตั้งแต่ปี 2019 ถึง 2025

4. ผลึกเดี่ยวซิลิคอนคาร์ไบด์
ปัจจุบัน ตลาดสามารถรองรับการเติบโตของผลึกเดี่ยวซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 2 นิ้วและ 3 นิ้วได้อย่างเต็มที่ บริษัทหลายแห่งรายงานความสำเร็จในการเติบโตของผลึกเดี่ยว SiC ชนิด 4H ขนาด 4 นิ้ว ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสำเร็จของจีนในการก้าวสู่ระดับโลกในด้านเทคโนโลยีการเติบโตของผลึก SiC อย่างไรก็ตาม ยังคงมีช่องว่างที่สำคัญก่อนที่จะสามารถนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ได้

โดยทั่วไป แท่งซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ที่ปลูกด้วยวิธีการในเฟสของเหลวจะมีขนาดค่อนข้างเล็ก โดยมีความหนาอยู่ในระดับเซนติเมตร นี่เป็นอีกเหตุผลหนึ่งที่ทำให้แผ่นเวเฟอร์ SiC มีราคาสูง

XKH เชี่ยวชาญด้านการวิจัยและพัฒนาและการประมวลผลแบบกำหนดเองของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์หลัก ได้แก่ แซฟไฟร์ ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เวเฟอร์ซิลิคอน และเซรามิก ครอบคลุมห่วงโซ่คุณค่าทั้งหมดตั้งแต่การเติบโตของผลึกไปจนถึงการกลึงที่แม่นยำ ด้วยการใช้ศักยภาพทางอุตสาหกรรมแบบบูรณาการ เราจึงสามารถจัดหาเวเฟอร์แซฟไฟร์ประสิทธิภาพสูง พื้นผิวซิลิคอนคาร์ไบด์ และเวเฟอร์ซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นพิเศษ พร้อมด้วยโซลูชันที่ปรับแต่งได้ เช่น การตัดแบบกำหนดเอง การเคลือบผิว และการผลิตรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน เพื่อตอบสนองความต้องการด้านสิ่งแวดล้อมที่รุนแรงในระบบเลเซอร์ การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ และการใช้งานพลังงานหมุนเวียน

ด้วยการยึดมั่นในมาตรฐานคุณภาพ ผลิตภัณฑ์ของเราจึงมีความแม่นยำระดับไมครอน มีเสถียรภาพทางความร้อนสูงกว่า 1500°C และทนทานต่อการกัดกร่อนเป็นเลิศ จึงมั่นใจได้ถึงความน่าเชื่อถือในสภาวะการทำงานที่รุนแรง นอกจากนี้ เรายังจัดหาแผ่นรองพื้นควอตซ์ วัสดุโลหะ/อโลหะ และส่วนประกอบเกรดเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ ซึ่งช่วยให้การเปลี่ยนผ่านจากการสร้างต้นแบบไปสู่การผลิตจำนวนมากเป็นไปอย่างราบรื่นสำหรับลูกค้าในอุตสาหกรรมต่างๆ