Los monocristales son raros en la naturaleza, e incluso cuando se encuentran, suelen ser muy pequeños (normalmente en escala milimétrica [mm]) y difíciles de obtener. Los diamantes, esmeraldas, ágatas, etc., que se han registrado, generalmente no entran en el mercado, y mucho menos en aplicaciones industriales; la mayoría se exhiben en museos. Sin embargo, algunos monocristales poseen un valor industrial significativo, como el silicio monocristalino en la industria de circuitos integrados, el zafiro, comúnmente utilizado en lentes ópticas, y el carburo de silicio, que está cobrando impulso en los semiconductores de tercera generación. La capacidad de producir estos monocristales en masa industrialmente no solo representa la fortaleza de la tecnología industrial y científica, sino también un símbolo de riqueza. El principal requisito para la producción de monocristales en la industria es el gran tamaño, ya que esto es clave para reducir costos de forma más eficaz. A continuación, se presentan algunos monocristales comunes en el mercado:
1. Cristal único de zafiro
El zafiro monocristalino se refiere al α-Al₂O₃, que posee un sistema cristalino hexagonal, una dureza de Mohs de 9 y propiedades químicas estables. Es insoluble en líquidos corrosivos ácidos o alcalinos, resistente a altas temperaturas y presenta excelente transmisión de luz, conductividad térmica y aislamiento eléctrico.
Si los iones de Al en el cristal se sustituyen por iones de Ti y Fe, el cristal se vuelve azul y se denomina zafiro. Si se sustituyen por iones de Cr, se vuelve rojo y se denomina rubí. Sin embargo, el zafiro industrial es α-Al₂O₃ puro, incoloro y transparente, sin impurezas.
El zafiro industrial suele presentarse en forma de obleas de 400 a 700 μm de espesor y de 10 a 20 cm de diámetro. Estas obleas se cortan a partir de lingotes de cristal. A continuación se muestra un lingote recién extraído de un horno monocristal, aún sin pulir ni cortar.
En 2018, la empresa Jinghui Electronic de Mongolia Interior fabricó con éxito el cristal de zafiro ultragrande de 450 kg más grande del mundo. El cristal de zafiro más grande del mundo, fabricado anteriormente en Rusia, pesaba 350 kg. Como se aprecia en la imagen, este cristal tiene una forma regular, es totalmente transparente, no presenta grietas ni bordes de grano, y presenta pocas burbujas.
2. Silicio monocristalino
Actualmente, el silicio monocristalino utilizado en chips de circuitos integrados tiene una pureza del 99,9999999 % al 99,999999999 % (9-11 nueves), y un lingote de silicio de 420 kg debe mantener una estructura perfecta similar a la del diamante. En la naturaleza, incluso un diamante de un quilate (200 mg) es relativamente raro.
La producción mundial de lingotes de silicio monocristalino está dominada por cinco grandes empresas: la japonesa Shin-Etsu (28,0%), la japonesa SUMCO (21,9%), la taiwanesa GlobalWafers (15,1%), la surcoreana SK Siltron (11,6%) y la alemana Siltronic (11,3%). Incluso el mayor fabricante de obleas de semiconductores de China continental, NSIG, solo posee alrededor del 2,3% de la cuota de mercado. Sin embargo, como recién llegado, no debe subestimarse su potencial. En 2024, NSIG planea invertir en un proyecto para modernizar la producción de obleas de silicio de 300 mm para circuitos integrados, con una inversión total estimada de ¥13.200 millones.
Como materia prima para chips, los lingotes de silicio monocristalino de alta pureza están evolucionando de diámetros de 6 a 12 pulgadas. Las principales fundiciones de chips internacionales, como TSMC y GlobalFoundries, están convirtiendo los chips a partir de obleas de silicio de 12 pulgadas en la corriente principal del mercado, mientras que las obleas de 8 pulgadas se están eliminando gradualmente. El líder nacional SMIC aún utiliza principalmente obleas de 6 pulgadas. Actualmente, solo la japonesa SUMCO puede producir sustratos de obleas de 12 pulgadas de alta pureza.
3. Arseniuro de galio
Las obleas de arseniuro de galio (GaAs) son un material semiconductor importante y su tamaño es un parámetro crítico en el proceso de preparación.
Actualmente, las obleas de GaAs se producen generalmente en tamaños de 2, 3, 4, 6, 8 y 12 pulgadas. Entre estas, las obleas de 6 pulgadas son una de las especificaciones más utilizadas.
El diámetro máximo de los monocristales cultivados mediante el método Bridgman Horizontal (HB) es generalmente de 7,6 cm, mientras que el método Czochralski Encapsulado Líquido (LEC) puede producir monocristales de hasta 30,5 cm de diámetro. Sin embargo, el crecimiento de LEC requiere equipos costosos y produce cristales no uniformes y con alta densidad de dislocaciones. Los métodos de Congelación de Gradiente Vertical (VGF) y Bridgman Vertical (VB) actualmente pueden producir monocristales de hasta 20,3 cm de diámetro, con una estructura relativamente uniforme y una menor densidad de dislocaciones.
La tecnología de producción de obleas pulidas de GaAs semiaislantes de 4 y 6 pulgadas está a cargo principalmente de tres empresas: Sumitomo Electric Industries (Japón), Freiberger Compound Materials (Alemania) y AXT (Estados Unidos). En 2015, los sustratos de 6 pulgadas ya representaban más del 90 % de la cuota de mercado.
En 2019, el mercado global de sustratos de GaAs estuvo dominado por Freiberger, Sumitomo y Beijing Tongmei, con cuotas de mercado del 28%, 21% y 13%, respectivamente. Según estimaciones de la consultora Yole, las ventas globales de sustratos de GaAs (convertidas a equivalentes de 2 pulgadas) alcanzaron aproximadamente 20 millones de unidades en 2019 y se proyecta que superen los 35 millones de unidades para 2025. El mercado global de sustratos de GaAs se valoró en aproximadamente 200 millones de dólares en 2019 y se espera que alcance los 348 millones de dólares para 2025, con una tasa de crecimiento anual compuesta (TCAC) del 9,67% entre 2019 y 2025.
4. Carburo de silicio monocristalino
Actualmente, el mercado puede soportar plenamente el crecimiento de monocristales de carburo de silicio (SiC) de 2 y 3 pulgadas de diámetro. Numerosas empresas han reportado el exitoso crecimiento de monocristales de SiC tipo 4H de 4 pulgadas, lo que marca el logro de China de un nivel de clase mundial en la tecnología de crecimiento de cristales de SiC. Sin embargo, aún existe un importante desfase antes de su comercialización.
Generalmente, los lingotes de SiC obtenidos mediante métodos de fase líquida son relativamente pequeños, con espesores de centímetros. Esta es también una de las razones del alto costo de las obleas de SiC.
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Hora de publicación: 29 de agosto de 2025