ताज़ा उगाए गए एकल क्रिस्टल

एकल क्रिस्टल प्रकृति में दुर्लभ हैं, और जब वे पाए भी जाते हैं, तो वे आमतौर पर बहुत छोटे होते हैं - आमतौर पर मिलीमीटर (मिमी) पैमाने पर - और प्राप्त करना मुश्किल होता है। रिपोर्ट किए गए हीरे, पन्ने, एगेट आदि आमतौर पर बाजार में प्रचलन में नहीं आते हैं, औद्योगिक अनुप्रयोगों की तो बात ही छोड़ दें; अधिकांश को प्रदर्शनी के लिए संग्रहालयों में प्रदर्शित किया जाता है। हालांकि, कुछ एकल क्रिस्टल महत्वपूर्ण औद्योगिक मूल्य रखते हैं, जैसे कि एकीकृत सर्किट उद्योग में एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन, ऑप्टिकल लेंस में आमतौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला नीलम, और सिलिकॉन कार्बाइड, जो तीसरी पीढ़ी के अर्धचालकों में लोकप्रियता हासिल कर रहा है। इन एकल क्रिस्टल का औद्योगिक रूप से बड़े पैमाने पर उत्पादन करने की क्षमता न केवल औद्योगिक और वैज्ञानिक प्रौद्योगिकी में ताकत का प्रतिनिधित्व करती है, बल्कि धन का प्रतीक भी है। उद्योग में एकल क्रिस्टल उत्पादन के लिए प्राथमिक आवश्यकता बड़ा आकार है, क्योंकि यह लागत को अधिक प्रभावी ढंग से कम करने की कुंजी है। नीचे बाजार में कुछ सामान्य रूप से पाए जाने वाले एकल क्रिस्टल दिए गए हैं:

1. नीलम एकल क्रिस्टल
नीलम एकल क्रिस्टल α-Al₂O₃ को संदर्भित करता है, जिसमें एक षट्कोणीय क्रिस्टल प्रणाली, 9 की मोहस कठोरता और स्थिर रासायनिक गुण होते हैं। यह अम्लीय या क्षारीय संक्षारक द्रवों में अघुलनशील, उच्च तापमान प्रतिरोधी, और उत्कृष्ट प्रकाश संचरण, तापीय चालकता और विद्युत रोधन प्रदर्शित करता है।

यदि क्रिस्टल में Al आयनों को Ti और Fe आयनों से प्रतिस्थापित कर दिया जाए, तो क्रिस्टल नीला दिखाई देता है और इसे नीलम कहते हैं। यदि Cr आयनों को प्रतिस्थापित कर दिया जाए, तो यह लाल दिखाई देता है और इसे माणिक्य कहते हैं। हालाँकि, औद्योगिक नीलम शुद्ध α-Al₂O₃, रंगहीन और पारदर्शी, अशुद्धियों से रहित होता है।

औद्योगिक नीलम आमतौर पर वेफ़र्स के रूप में होता है, जिनकी मोटाई 400-700 माइक्रोमीटर और व्यास 4-8 इंच होता है। इन्हें वेफ़र्स कहा जाता है और इन्हें क्रिस्टल सिल्लियों से काटा जाता है। नीचे एकल क्रिस्टल भट्टी से निकाला गया एक ताज़ा सिल्लियाँ दिखाया गया है, जिसे अभी तक पॉलिश या काटा नहीं गया है।

2018 में, इनर मंगोलिया स्थित जिंगहुई इलेक्ट्रॉनिक कंपनी ने दुनिया का सबसे बड़ा 450 किलोग्राम का अल्ट्रा-लार्ज नीलम क्रिस्टल सफलतापूर्वक विकसित किया। दुनिया का इससे पहले का सबसे बड़ा नीलम क्रिस्टल रूस में उत्पादित 350 किलोग्राम का क्रिस्टल था। जैसा कि चित्र में देखा जा सकता है, इस क्रिस्टल का आकार सामान्य है, यह पूरी तरह से पारदर्शी है, इसमें दरारें और दाने नहीं हैं, और इसमें बुलबुले कम हैं।

2. एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन
वर्तमान में, एकीकृत परिपथ चिप्स के लिए उपयोग किए जाने वाले एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन की शुद्धता 99.9999999% से 99.999999999% (9–11 नाइन) तक होती है, और 420 किलोग्राम के सिलिकॉन पिंड में हीरे जैसी उत्तम संरचना होनी चाहिए। प्रकृति में, एक कैरेट (200 मिलीग्राम) का हीरा भी अपेक्षाकृत दुर्लभ होता है।

एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन सिल्लियों के वैश्विक उत्पादन में पाँच प्रमुख कंपनियों का दबदबा है: जापान की शिन-एत्सु (28.0%), जापान की सुमको (21.9%), ताइवान की ग्लोबलवेफ़र्स (15.1%), दक्षिण कोरिया की एसके सिल्ट्रॉन (11.6%), और जर्मनी की सिल्ट्रॉनिक (11.3%)। यहाँ तक कि मुख्यभूमि चीन की सबसे बड़ी सेमीकंडक्टर वेफर निर्माता कंपनी, एनएसआईजी, भी बाजार हिस्सेदारी में केवल 2.3% ही रखती है। फिर भी, एक नवागंतुक होने के नाते, इसकी क्षमता को कम करके नहीं आंका जाना चाहिए। 2024 में, एनएसआईजी एकीकृत परिपथों के लिए 300 मिमी सिलिकॉन वेफर उत्पादन को उन्नत करने की एक परियोजना में निवेश करने की योजना बना रही है, जिसका अनुमानित कुल निवेश ¥13.2 बिलियन है।

चिप्स के कच्चे माल के रूप में, उच्च-शुद्धता वाले सिंगल-क्रिस्टल सिलिकॉन सिल्लियों का उपयोग 6 इंच से 12 इंच व्यास तक विकसित हो रहा है। TSMC और GlobalFoundries जैसी अग्रणी अंतरराष्ट्रीय चिप फाउंड्रीज़, 12 इंच के सिलिकॉन वेफ़र्स से चिप्स बनाकर उन्हें बाज़ार में मुख्यधारा में ला रही हैं, जबकि 8 इंच के वेफ़र्स का उपयोग धीरे-धीरे कम हो रहा है। घरेलू अग्रणी SMIC अभी भी मुख्य रूप से 6 इंच के वेफ़र्स का उपयोग करती है। वर्तमान में, केवल जापान की SUMCO ही उच्च-शुद्धता वाले 12 इंच के वेफ़र सबस्ट्रेट्स का उत्पादन कर सकती है।

3. गैलियम आर्सेनाइड
गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) वेफर्स एक महत्वपूर्ण अर्धचालक पदार्थ हैं, और उनका आकार तैयारी प्रक्रिया में एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है।

वर्तमान में, GaAs वेफर्स आमतौर पर 2 इंच, 3 इंच, 4 इंच, 6 इंच, 8 इंच और 12 इंच के आकार में उत्पादित होते हैं। इनमें से, 6 इंच के वेफर्स सबसे ज़्यादा इस्तेमाल किए जाने वाले आकारों में से एक हैं।

क्षैतिज ब्रिजमैन (HB) विधि द्वारा विकसित एकल क्रिस्टल का अधिकतम व्यास सामान्यतः 3 इंच होता है, जबकि द्रव-संपुटित ज़ोक्रल्स्की (LEC) विधि 12 इंच व्यास तक के एकल क्रिस्टल उत्पन्न कर सकती है। हालाँकि, LEC वृद्धि के लिए उच्च उपकरण लागत की आवश्यकता होती है और इससे असमान और उच्च विस्थापन घनत्व वाले क्रिस्टल प्राप्त होते हैं। वर्टिकल ग्रेडिएंट फ़्रीज़ (VGF) और वर्टिकल ब्रिजमैन (VB) विधियाँ वर्तमान में 8 इंच व्यास तक के एकल क्रिस्टल उत्पन्न कर सकती हैं, जिनकी संरचना अपेक्षाकृत एकसमान और विस्थापन घनत्व कम होता है।

4-इंच और 6-इंच सेमी-इंसुलेटिंग GaAs पॉलिश्ड वेफर्स की उत्पादन तकनीक में मुख्य रूप से तीन कंपनियाँ माहिर हैं: जापान की सुमितोमो इलेक्ट्रिक इंडस्ट्रीज, जर्मनी की फ्रीबर्गर कंपाउंड मैटेरियल्स और अमेरिका की AXT। 2015 तक, 6-इंच सबस्ट्रेट्स का बाज़ार में 90% से ज़्यादा हिस्सा हो चुका था।

2019 में, वैश्विक GaAs सब्सट्रेट बाज़ार में फ्रीबर्गर, सुमितोमो और बीजिंग टोंगमेई का दबदबा रहा, जिनकी बाज़ार हिस्सेदारी क्रमशः 28%, 21% और 13% थी। कंसल्टिंग फर्म योल के अनुमान के अनुसार, GaAs सब्सट्रेट्स (2-इंच समकक्षों में परिवर्तित) की वैश्विक बिक्री 2019 में लगभग 2 करोड़ यूनिट तक पहुँच गई और 2025 तक 3.5 करोड़ यूनिट से ज़्यादा होने का अनुमान है। 2019 में वैश्विक GaAs सब्सट्रेट बाज़ार का मूल्य लगभग 20 करोड़ डॉलर था और 2019 से 2025 तक 9.67% की चक्रवृद्धि वार्षिक वृद्धि दर (CAGR) के साथ 2025 तक 34 करोड़ 80 लाख डॉलर तक पहुँचने की उम्मीद है।

4. सिलिकॉन कार्बाइड एकल क्रिस्टल
वर्तमान में, बाजार 2-इंच और 3-इंच व्यास वाले सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) सिंगल क्रिस्टल के विकास को पूरी तरह से समर्थन दे सकता है। कई कंपनियों ने 4-इंच 4H-प्रकार के SiC सिंगल क्रिस्टल के सफल विकास की सूचना दी है, जो SiC क्रिस्टल विकास तकनीक में चीन की विश्वस्तरीय उपलब्धि को दर्शाता है। हालाँकि, व्यावसायीकरण से पहले अभी भी एक महत्वपूर्ण अंतराल है।

आमतौर पर, द्रव-चरण विधि से उगाए गए SiC सिल्लियाँ अपेक्षाकृत छोटी होती हैं, जिनकी मोटाई सेंटीमीटर के स्तर पर होती है। यही SiC वेफर्स की ऊँची कीमत का एक कारण भी है।

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