Einkristalle sind in der Natur selten, und selbst wenn sie vorkommen, sind sie meist sehr klein – typischerweise im Millimeterbereich – und schwer zu beschaffen. Gefundene Diamanten, Smaragde, Achate usw. gelangen in der Regel nicht in den Handel, geschweige denn in industrielle Anwendungen; die meisten werden in Museen ausgestellt. Einige Einkristalle besitzen jedoch einen bedeutenden industriellen Wert, wie beispielsweise Silizium-Einkristalle in der Halbleiterindustrie, Saphir, der häufig in optischen Linsen verwendet wird, und Siliziumkarbid, das in der Halbleiterindustrie der dritten Generation zunehmend an Bedeutung gewinnt. Die Fähigkeit zur industriellen Massenproduktion dieser Einkristalle zeugt nicht nur von Stärke in Industrie und Wissenschaft, sondern ist auch ein Symbol für Wohlstand. Die wichtigste Voraussetzung für die industrielle Einkristallproduktion ist die Größe, da dies der Schlüssel zu einer effektiveren Kostenreduzierung ist. Im Folgenden werden einige häufig auf dem Markt erhältliche Einkristalle vorgestellt:
1. Saphir-Einkristall
Saphir-Einkristalle bestehen aus α-Al₂O₃, einem hexagonalen Kristallsystem mit einer Mohshärte von 9 und stabilen chemischen Eigenschaften. Sie sind unlöslich in sauren und alkalischen korrosiven Flüssigkeiten, hochtemperaturbeständig und zeichnen sich durch hervorragende Lichtdurchlässigkeit, Wärmeleitfähigkeit und elektrische Isolation aus.
Werden Al-Ionen im Kristall durch Ti- und Fe-Ionen ersetzt, erscheint der Kristall blau und wird Saphir genannt. Werden sie durch Cr-Ionen ersetzt, erscheint er rot und wird Rubin genannt. Industrieller Saphir besteht jedoch aus reinem α-Al₂O₃, ist farblos und transparent und enthält keine Verunreinigungen.
Industrieller Saphir liegt typischerweise in Form von Wafern vor, 400–700 µm dick und 4–8 Zoll im Durchmesser. Diese sogenannten Wafer werden aus Kristallblöcken geschnitten. Unten abgebildet ist ein frisch aus einem Einkristallofen entnommener, noch unpolierter oder ungeschnittener Block.
Im Jahr 2018 gelang es der Jinghui Electronic Company in der Inneren Mongolei, den weltweit größten 450 kg schweren Saphirkristall zu züchten. Der bisher größte Saphirkristall der Welt wog 350 kg und stammte aus Russland. Wie auf dem Bild zu sehen ist, weist dieser Kristall eine regelmäßige Form auf, ist vollkommen transparent, frei von Rissen und Korngrenzen und enthält nur wenige Lufteinschlüsse.
2. Einkristallines Silizium
Aktuell weist das für integrierte Schaltkreise verwendete einkristalline Silizium eine Reinheit von 99,9999999 % bis 99,999999999 % (9–11 Neunen) auf, und ein 420 kg schwerer Siliziumblock muss eine diamantähnliche, perfekte Struktur aufweisen. In der Natur ist selbst ein Ein-Karat-Diamant (200 mg) relativ selten.
Die weltweite Produktion von einkristallinen Silizium-Ingots wird von fünf großen Unternehmen dominiert: dem japanischen Unternehmen Shin-Etsu (28,0 %), dem japanischen Unternehmen SUMCO (21,9 %), dem taiwanesischen Unternehmen GlobalWafers (15,1 %), dem südkoreanischen Unternehmen SK Siltron (11,6 %) und dem deutschen Unternehmen Siltronic (11,3 %). Selbst der größte Halbleiterwaferhersteller auf dem chinesischen Festland, NSIG, hält nur einen Marktanteil von etwa 2,3 %. Dennoch sollte sein Potenzial als Newcomer nicht unterschätzt werden. NSIG plant für 2024 Investitionen in Höhe von schätzungsweise 13,2 Milliarden Yen in ein Projekt zur Modernisierung der Produktion von 300-mm-Siliziumwafern für integrierte Schaltungen.
Als Rohmaterial für Chips entwickeln sich hochreine Silizium-Einkristall-Ingots von 6-Zoll- auf 12-Zoll-Wafer-Durchmesser. Führende internationale Chiphersteller wie TSMC und GlobalFoundries etablieren Chips aus 12-Zoll-Siliziumwafern als Marktstandard, während 8-Zoll-Wafer schrittweise aus dem Verkehr gezogen werden. Der japanische Marktführer SMIC verwendet weiterhin hauptsächlich 6-Zoll-Wafer. Derzeit ist nur das japanische Unternehmen SUMCO in der Lage, hochreine 12-Zoll-Wafer-Substrate herzustellen.
3. Galliumarsenid
Galliumarsenid (GaAs)-Wafer sind ein wichtiges Halbleitermaterial, und ihre Größe ist ein kritischer Parameter im Herstellungsprozess.
Aktuell werden GaAs-Wafer typischerweise in Größen von 2 Zoll, 3 Zoll, 4 Zoll, 6 Zoll, 8 Zoll und 12 Zoll hergestellt. 6-Zoll-Wafer gehören dabei zu den am weitesten verbreiteten Spezifikationen.
Der maximale Durchmesser von Einkristallen, die nach dem Horizontal-Bridgman-Verfahren (HB) gezüchtet werden, beträgt im Allgemeinen 3 Zoll, während mit dem Flüssig-Czochralski-Verfahren (LEC) Einkristalle mit bis zu 12 Zoll Durchmesser hergestellt werden können. Allerdings ist das LEC-Verfahren mit hohen Anlagenkosten verbunden und liefert Kristalle mit ungleichmäßiger Struktur und hoher Versetzungsdichte. Mit dem Vertikal-Gradienten-Gefrierverfahren (VGF) und dem Vertikal-Bridgman-Verfahren (VB) lassen sich derzeit Einkristalle mit bis zu 8 Zoll Durchmesser, relativ gleichmäßiger Struktur und geringerer Versetzungsdichte herstellen.
Die Produktionstechnologie für polierte, halbisolierende 4- und 6-Zoll-GaAs-Wafer wird im Wesentlichen von drei Unternehmen beherrscht: dem japanischen Unternehmen Sumitomo Electric Industries, dem deutschen Unternehmen Freiberger Compound Materials und dem US-amerikanischen Unternehmen AXT. Bereits 2015 erreichten 6-Zoll-Substrate einen Marktanteil von über 90 %.
Der globale Markt für GaAs-Substrate wurde 2019 von Freiberger, Sumitomo und Beijing Tongmei mit Marktanteilen von 28 %, 21 % bzw. 13 % dominiert. Laut Schätzungen des Beratungsunternehmens Yole erreichten die weltweiten Verkäufe von GaAs-Substraten (umgerechnet auf 2-Zoll-Äquivalente) 2019 rund 20 Millionen Stück und werden bis 2025 voraussichtlich auf über 35 Millionen Stück ansteigen. Der globale Markt für GaAs-Substrate hatte 2019 einen Wert von rund 200 Millionen US-Dollar und wird bis 2025 voraussichtlich 348 Millionen US-Dollar erreichen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 9,67 % von 2019 bis 2025 entspricht.
4. Siliciumcarbid-Einkristall
Derzeit bietet der Markt ausreichend Kapazität für das Wachstum von Siliziumkarbid-Einkristallen (SiC) mit Durchmessern von 2 und 3 Zoll. Zahlreiche Unternehmen haben bereits erfolgreich 4-Zoll-SiC-Einkristalle vom 4H-Typ gezüchtet, was Chinas Erreichen eines Weltklasse-Niveaus in der SiC-Kristallzüchtungstechnologie unterstreicht. Bis zur Kommerzialisierung besteht jedoch noch ein erheblicher Entwicklungsbedarf.
Im Allgemeinen sind SiC-Ingots, die mittels Flüssigphasenverfahren hergestellt werden, relativ klein und weisen Dicken im Zentimeterbereich auf. Dies ist auch ein Grund für die hohen Kosten von SiC-Wafern.
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Veröffentlichungsdatum: 29. August 2025