Cristais únicos são raros na natureza e, mesmo quando ocorrem, geralmente são muito pequenos — tipicamente na escala de milímetros (mm) — e difíceis de obter. Diamantes, esmeraldas, ágatas, etc., geralmente não entram em circulação no mercado, muito menos em aplicações industriais; a maioria é exibida em museus. No entanto, alguns cristais únicos possuem valor industrial significativo, como o silício monocristalino na indústria de circuitos integrados, a safira comumente usada em lentes ópticas e o carbeto de silício, que está ganhando força em semicondutores de terceira geração. A capacidade de produzir esses cristais únicos em massa industrialmente não só representa força na tecnologia industrial e científica, mas também é um símbolo de riqueza. O principal requisito para a produção de cristais únicos na indústria é o grande tamanho, pois isso é fundamental para reduzir custos de forma mais eficaz. Abaixo estão alguns cristais únicos comumente encontrados no mercado:
1. Cristal único de safira
O cristal único de safira refere-se ao α-Al₂O₃, que possui um sistema cristalino hexagonal, dureza 9 na escala de Mohs e propriedades químicas estáveis. É insolúvel em líquidos corrosivos ácidos ou alcalinos, resistente a altas temperaturas e apresenta excelente transmissão de luz, condutividade térmica e isolamento elétrico.
Se os íons de Al no cristal forem substituídos por íons de Ti e Fe, o cristal adquire uma coloração azul e é chamado de safira. Se forem substituídos por íons de Cr, adquire uma coloração vermelha e é chamado de rubi. No entanto, a safira industrial é α-Al₂O₃ puro, incolor e transparente, sem impurezas.
A safira industrial geralmente é encontrada na forma de wafers, com 400 a 700 μm de espessura e 4 a 8 polegadas de diâmetro. Esses wafers são cortados de lingotes de cristal. A imagem abaixo mostra um lingote recém-extraído de um forno monocristalino, ainda não polido ou cortado.
Em 2018, a empresa Jinghui Electronic, na Mongólia Interior, cultivou com sucesso o maior cristal de safira do mundo, com 450 kg. O recorde anterior era de um cristal de safira de 350 kg produzido na Rússia. Como pode ser visto na imagem, este cristal possui formato regular, é totalmente transparente, livre de rachaduras e limites de grão, e apresenta poucas bolhas.
2. Silício monocristalino
Atualmente, o silício monocristalino usado em chips de circuitos integrados possui uma pureza de 99,9999999% a 99,999999999% (9 a 11 noves), e um lingote de silício de 420 kg deve manter uma estrutura perfeita semelhante à do diamante. Na natureza, mesmo um diamante de um quilate (200 mg) é relativamente raro.
A produção global de lingotes de silício monocristalino é dominada por cinco grandes empresas: a japonesa Shin-Etsu (28,0%), a japonesa SUMCO (21,9%), a taiwanesa GlobalWafers (15,1%), a sul-coreana SK Siltron (11,6%) e a alemã Siltronic (11,3%). Mesmo a maior fabricante de wafers semicondutores da China continental, a NSIG, detém apenas cerca de 2,3% da participação de mercado. No entanto, como uma empresa recém-chegada, seu potencial não deve ser subestimado. Em 2024, a NSIG planeja investir em um projeto para modernizar a produção de wafers de silício de 300 mm para circuitos integrados, com um investimento total estimado em ¥ 13,2 bilhões.
Como matéria-prima para chips, os lingotes de silício monocristalino de alta pureza estão evoluindo de 6 polegadas para 12 polegadas de diâmetro. As principais fundições de chips internacionais, como a TSMC e a GlobalFoundries, estão tornando os chips feitos com wafers de silício de 12 polegadas o padrão do mercado, enquanto os wafers de 8 polegadas estão sendo gradualmente eliminados. A líder nacional SMIC ainda utiliza principalmente wafers de 6 polegadas. Atualmente, apenas a japonesa SUMCO consegue produzir substratos de wafer de 12 polegadas de alta pureza.
3. Arsenieto de gálio
As lâminas de arseneto de gálio (GaAs) são um importante material semicondutor, e seu tamanho é um parâmetro crítico no processo de preparação.
Atualmente, os wafers de GaAs são normalmente produzidos em tamanhos de 2 polegadas, 3 polegadas, 4 polegadas, 6 polegadas, 8 polegadas e 12 polegadas. Dentre esses, os wafers de 6 polegadas são uma das especificações mais utilizadas.
O diâmetro máximo de monocristais cultivados pelo método Bridgman Horizontal (HB) é geralmente de 3 polegadas, enquanto o método Czochralski com Encapsulamento Líquido (LEC) pode produzir monocristais de até 12 polegadas de diâmetro. No entanto, o crescimento por LEC requer altos custos de equipamento e produz cristais com estrutura não uniforme e alta densidade de discordâncias. Os métodos de Congelamento por Gradiente Vertical (VGF) e Bridgman Vertical (VB) podem atualmente produzir monocristais de até 8 polegadas de diâmetro, com estrutura relativamente uniforme e menor densidade de discordâncias.
A tecnologia de produção de wafers polidos de GaAs semi-isolantes de 4 e 6 polegadas é dominada principalmente por três empresas: a japonesa Sumitomo Electric Industries, a alemã Freiberger Compound Materials e a americana AXT. Em 2015, os substratos de 6 polegadas já representavam mais de 90% da participação de mercado.
Em 2019, o mercado global de substratos de GaAs foi dominado pela Freiberger, Sumitomo e Beijing Tongmei, com participações de mercado de 28%, 21% e 13%, respectivamente. De acordo com estimativas da consultoria Yole, as vendas globais de substratos de GaAs (convertidas para equivalentes de 2 polegadas) atingiram aproximadamente 20 milhões de unidades em 2019 e a projeção é de que ultrapassem 35 milhões de unidades até 2025. O mercado global de substratos de GaAs foi avaliado em cerca de US$ 200 milhões em 2019 e a expectativa é de que alcance US$ 348 milhões até 2025, com uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 9,67% entre 2019 e 2025.
4. Monocristal de carbeto de silício
Atualmente, o mercado suporta plenamente o crescimento de monocristais de carbeto de silício (SiC) com 2 e 3 polegadas de diâmetro. Muitas empresas relataram sucesso no crescimento de monocristais de SiC do tipo 4H com 4 polegadas, o que demonstra que a China alcançou níveis de excelência mundial em tecnologia de crescimento de cristais de SiC. No entanto, ainda existe uma lacuna significativa antes da comercialização.
Geralmente, os lingotes de SiC cultivados por métodos de fase líquida são relativamente pequenos, com espessuras na ordem de centímetros. Este é também um dos motivos para o alto custo dos wafers de SiC.
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Data da publicação: 29/08/2025