ताजा उगाए गए एकल क्रिस्टल

प्रकृति में एकल क्रिस्टल दुर्लभ होते हैं, और जब वे पाए भी जाते हैं, तो आमतौर पर बहुत छोटे होते हैं—आमतौर पर मिलीमीटर (मिमी) के आकार के—और इन्हें प्राप्त करना कठिन होता है। रिपोर्ट किए गए हीरे, पन्ना, अगेट आदि आमतौर पर बाज़ार में प्रचलन में नहीं आते, औद्योगिक अनुप्रयोगों की तो बात ही छोड़ दें; अधिकांश को संग्रहालयों में प्रदर्शन के लिए रखा जाता है। हालांकि, कुछ एकल क्रिस्टलों का महत्वपूर्ण औद्योगिक महत्व है, जैसे एकीकृत सर्किट उद्योग में एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन, ऑप्टिकल लेंस में आमतौर पर इस्तेमाल होने वाला नीलम, और सिलिकॉन कार्बाइड, जो तीसरी पीढ़ी के अर्धचालकों में गति पकड़ रहा है। इन एकल क्रिस्टलों का औद्योगिक रूप से बड़े पैमाने पर उत्पादन करने की क्षमता न केवल औद्योगिक और वैज्ञानिक प्रौद्योगिकी में मजबूती को दर्शाती 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 बाज़ार में आमतौर पर पाए जाने वाले कुछ एकल क्रिस्टल दिए गए हैं:

1. नीलम एकल क्रिस्टल
नीलम एकल क्रिस्टल α-Al₂O₃ को संदर्भित करता है, जिसमें षट्कोणीय क्रिस्टलीय संरचना, 9 की मोह्स कठोरता और स्थिर रासायनिक गुण होते हैं। यह अम्लीय या क्षारीय संक्षारक तरल पदार्थों में अघुलनशील, उच्च तापमान प्रतिरोधी और उत्कृष्ट प्रकाश संचरण, ऊष्मीय चालकता और विद्युत इन्सुलेशन प्रदर्शित करता है।

यदि क्रिस्टल में एल्युमिनियम (Al) आयनों को टाइटेनियम (Ti) और आयरन (Fe) आयनों से प्रतिस्थापित किया जाए, तो क्रिस्टल नीला दिखाई देता है और इसे नीलम (सैफायर) कहा जाता है। यदि इन्हें क्रोमियम (Cr) आयनों से प्रतिस्थापित किया जाए, तो यह लाल दिखाई देता है और इसे माणिक (रूबी) कहा जाता है। हालांकि, औद्योगिक नीलम शुद्ध α-Al₂O₃ होता है, जो रंगहीन और पारदर्शी होता है और अशुद्धियों से मुक्त होता है।

औद्योगिक नीलम आमतौर पर 400-700 माइक्रोमीटर मोटाई और 4-8 इंच व्यास वाली पतली परतों के रूप में होता है। इन्हें वेफर कहा जाता है और ये क्रिस्टल पिंडों से काटकर बनाई जाती हैं। नीचे एक क्रिस्टल भट्टी से निकाली गई एक नई पिंड दिखाई गई है, जिसे अभी तक पॉलिश या काटा नहीं गया है।

2018 में, इनर मंगोलिया की जिंगहुई इलेक्ट्रॉनिक कंपनी ने सफलतापूर्वक दुनिया का सबसे बड़ा 450 किलोग्राम का अति-विशाल नीलमणि क्रिस्टल विकसित किया। इससे पहले विश्व स्तर पर सबसे बड़ा नीलमणि क्रिस्टल रूस में निर्मित 350 किलोग्राम का क्रिस्टल था। जैसा कि चित्र में देखा जा सकता है, इस क्रिस्टल का आकार नियमित है, यह पूरी तरह से पारदर्शी है, इसमें कोई दरार या कणिका सीमा नहीं है, और इसमें बहुत कम बुलबुले हैं।

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

एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन पिंडों के वैश्विक उत्पादन में पाँच प्रमुख कंपनियों का दबदबा है: जापान की शिन-एत्सु (28.0%), जापान की एसयूएमसीओ (21.9%), ताइवान की ग्लोबलवेफर्स (15.1%), दक्षिण कोरिया की एसके सिलट्रॉन (11.6%) और जर्मनी की सिलट्रॉनिक (11.3%)। यहाँ तक कि चीन की सबसे बड़ी सेमीकंडक्टर वेफर निर्माता कंपनी, एनएसआईजी, की भी बाजार हिस्सेदारी लगभग 2.3% ही है। फिर भी, एक नवोदित कंपनी होने के नाते, इसकी क्षमता को कम नहीं आँका जाना चाहिए। 2024 में, एनएसआईजी ने एकीकृत सर्किट के लिए 300 मिमी सिलिकॉन वेफर उत्पादन को उन्नत करने की परियोजना में निवेश करने की योजना बनाई है, जिसका अनुमानित कुल निवेश 13.2 बिलियन येन है।

चिप्स के कच्चे माल के रूप में, उच्च शुद्धता वाले एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन पिंडों का आकार 6 इंच से बढ़कर 12 इंच व्यास का हो रहा है। टीएसएमसी और ग्लोबलफाउंड्रीज़ जैसी अग्रणी अंतरराष्ट्रीय चिप फाउंड्रीज़ 12 इंच सिलिकॉन वेफर्स से चिप्स बनाकर बाज़ार में मुख्यधारा बना रही हैं, जबकि 8 इंच वेफर्स का उपयोग धीरे-धीरे बंद किया जा रहा है। घरेलू अग्रणी कंपनी एसएमआईसी अभी भी मुख्य रूप से 6 इंच वेफर्स का उपयोग करती है। वर्तमान में, केवल जापान की एसयूएमसीओ ही उच्च शुद्धता वाले 12 इंच वेफर सब्सट्रेट का उत्पादन कर सकती है।

3. गैलियम आर्सेनाइड
गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) वेफर्स एक महत्वपूर्ण अर्धचालक पदार्थ हैं, और इनका 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 किए जाते हैं। इनमें से, 6 इंच के वेफर्स सबसे व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले विनिर्देशों में से एक हैं।

हॉरिजॉन्टल ब्रिजमैन (HB) विधि द्वारा उगाए गए एकल क्रिस्टलों का अधिकतम व्यास आमतौर पर 3 इंच होता है, जबकि लिक्विड-एनकैप्सुलेटेड चोक्रालस्की (LEC) विधि से 12 इंच व्यास तक के एकल क्रिस्टल प्राप्त किए जा सकते हैं। हालांकि, LEC विधि से क्रिस्टल उगाने में उपकरण की लागत अधिक होती है और इससे प्राप्त क्रिस्टलों में एकरूपता नहीं होती तथा विस्थापन घनत्व अधिक होता है। वर्टिकल ग्रेडिएंट फ्रीज़ (VGF) और वर्टिकल ब्रिजमैन (VB) विधियों से वर्तमान में 8 इंच व्यास तक के एकल क्रिस्टल प्राप्त किए जा सकते हैं, जिनकी संरचना अपेक्षाकृत एकरूप होती है और विस्थापन घनत्व कम होता है।

4-इंच और 6-इंच सेमी-इंसुलेटिंग GaAs पॉलिश वेफर्स की उत्पादन तकनीक में मुख्य रूप से तीन कंपनियों का दबदबा है: जापान की सुमितोमो इलेक्ट्रिक इंडस्ट्रीज, जर्मनी की फ्रीबर्गर कंपाउंड मैटेरियल्स और अमेरिका की AXT। 2015 तक, 6-इंच सबस्ट्रेट्स ने बाजार हिस्सेदारी का 90% से अधिक हिस्सा हासिल कर लिया था।

2019 में, वैश्विक GaAs सबस्ट्रेट बाजार में Freiberger, Sumitomo और Beijing Tongmei का दबदबा था, जिनकी बाजार हिस्सेदारी क्रमशः 28%, 21% और 13% थी। परामर्श फर्म Yole के अनुमानों के अनुसार, GaAs सबस्ट्रेट्स (2-इंच समकक्षों में परिवर्तित) की वैश्विक बिक्री 2019 में लगभग 20 मिलियन यूनिट तक पहुंच गई और 2025 तक 35 मिलियन यूनिट से अधिक होने का अनुमान है। वैश्विक GaAs सबस्ट्रेट बाजार का मूल्य 2019 में लगभग 200 मिलियन डॉलर था और 2025 तक 348 मिलियन डॉलर तक पहुंचने की उम्मीद है, जिसमें 2019 से 2025 तक 9.67% की चक्रवृद्धि वार्षिक वृद्धि दर (CAGR) होगी।

4. सिलिकॉन कार्बाइड एकल क्रिस्टल
वर्तमान में, बाजार 2 इंच और 3 इंच व्यास वाले सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) एकल क्रिस्टल के विकास को पूरी तरह से समर्थन दे सकता है। कई कंपनियों ने 4 इंच व्यास वाले 4H-प्रकार के SiC एकल क्रिस्टल के सफल विकास की सूचना दी है, जो SiC क्रिस्टल विकास प्रौद्योगिकी में चीन की विश्व स्तरीय उपलब्धि को दर्शाता है। हालांकि, व्यावसायीकरण से पहले अभी भी काफी प्रगति की गुंजाइश है।

सामान्यतः, तरल-चरण विधियों द्वारा निर्मित SiC पिंड अपेक्षाकृत छोटे होते हैं, जिनकी मोटाई सेंटीमीटर के स्तर पर होती है। यह भी SiC वेफर्स की उच्च लागत का एक कारण है।

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