Les monocristaux sont rares dans la nature et, même lorsqu'ils existent, ils sont généralement très petits (de l'ordre du millimètre) et difficiles à obtenir. Les diamants, émeraudes, agates, etc., répertoriés ne sont généralement pas commercialisés, et encore moins utilisés dans l'industrie ; la plupart sont exposés dans des musées. Cependant, certains monocristaux ont une valeur industrielle considérable, comme le silicium monocristallin dans l'industrie des circuits intégrés, le saphir couramment utilisé dans les lentilles optiques et le carbure de silicium, qui prend de l'ampleur dans les semi-conducteurs de troisième génération. La capacité à produire ces monocristaux en masse témoigne non seulement d'une maîtrise technologique industrielle et scientifique, mais est aussi un symbole de richesse. La principale exigence pour la production industrielle de monocristaux est leur grande taille, car elle permet de réduire les coûts de manière plus efficace. Voici quelques monocristaux couramment disponibles sur le marché :
1. Cristal de saphir monocristallin
Le saphir monocristallin est composé d'α-Al₂O₃, un composé à structure hexagonale, d'une dureté Mohs de 9 et présentant une grande stabilité chimique. Insoluble dans les liquides corrosifs acides ou alcalins, il résiste aux hautes températures et offre une excellente transmission de la lumière, une conductivité thermique élevée et une isolation électrique performante.
Si les ions Al du cristal sont remplacés par des ions Ti et Fe, le cristal apparaît bleu et est appelé saphir. S'ils sont remplacés par des ions Cr, il apparaît rouge et est appelé rubis. Cependant, le saphir industriel est composé d'α-Al₂O₃ pur, incolore et transparent, sans impuretés.
Le saphir industriel se présente généralement sous forme de plaquettes de 400 à 700 µm d'épaisseur et de 4 à 8 pouces de diamètre. Ces plaquettes sont découpées dans des lingots de cristal. L'image ci-dessous montre un lingot fraîchement extrait d'un four à monocristal, non encore poli ni taillé.
En 2018, la société Jinghui Electronic, située en Mongolie-Intérieure, a réussi à cultiver le plus gros cristal de saphir au monde, d'un poids de 450 kg. Le précédent record mondial était détenu par un cristal de 350 kg produit en Russie. Comme le montre l'image, ce cristal présente une forme régulière, une transparence parfaite, est exempt de fissures et de joints de grains, et contient très peu de bulles.
2. Silicium monocristallin
Actuellement, le silicium monocristallin utilisé pour les puces de circuits intégrés présente une pureté de 99,9999999 % à 99,999999999 % (9 à 11 neuf), et un lingot de silicium de 420 kg doit conserver une structure parfaite, semblable à celle du diamant. Dans la nature, même un diamant d'un carat (200 mg) est relativement rare.
La production mondiale de lingots de silicium monocristallin est dominée par cinq grandes entreprises : les japonaises Shin-Etsu (28,0 %), SUMCO (21,9 %), GlobalWafers (15,1 %), SK Siltron (11,6 %) et Siltronic (11,3 %). Même le plus grand fabricant de plaquettes de semi-conducteurs en Chine continentale, NSIG, ne détient qu’environ 2,3 % de parts de marché. Néanmoins, en tant que nouvel acteur, son potentiel ne doit pas être sous-estimé. En 2024, NSIG prévoit d’investir dans un projet de modernisation de sa production de plaquettes de silicium de 300 mm pour circuits intégrés, pour un investissement total estimé à 13,2 milliards de yens.
En tant que matière première pour les puces, les lingots de silicium monocristallin de haute pureté évoluent, passant de 6 à 12 pouces de diamètre. Les principaux fondeurs internationaux de puces, tels que TSMC et GlobalFoundries, produisent désormais des puces à partir de plaquettes de silicium de 12 pouces, tandis que les plaquettes de 8 pouces sont progressivement abandonnées. Le leader chinois SMIC utilise encore principalement des plaquettes de 6 pouces. Actuellement, seul le japonais SUMCO est capable de produire des substrats de plaquettes de 12 pouces de haute pureté.
3. Arséniure de gallium
Les plaquettes d'arséniure de gallium (GaAs) sont un matériau semi-conducteur important, et leur taille est un paramètre critique dans le processus de préparation.
Actuellement, les plaquettes de GaAs sont généralement produites dans des tailles de 2, 3, 4, 6, 8 et 12 pouces. Parmi celles-ci, les plaquettes de 6 pouces constituent l'une des spécifications les plus courantes.
Le diamètre maximal des monocristaux obtenus par la méthode Bridgman horizontale (HB) est généralement de 7,6 cm (3 pouces), tandis que la méthode Czochralski en phase liquide (LEC) permet d'obtenir des monocristaux jusqu'à 30,5 cm (12 pouces) de diamètre. Cependant, la croissance par LEC nécessite un équipement coûteux et produit des cristaux présentant une hétérogénéité structurale et une forte densité de dislocations. Les méthodes de cristallisation par gradient vertical (VGF) et Bridgman verticale (VB) permettent actuellement d'obtenir des monocristaux jusqu'à 20,3 cm (8 pouces) de diamètre, avec une structure relativement uniforme et une densité de dislocations plus faible.
La technologie de production des plaquettes de GaAs semi-isolantes polies de 4 et 6 pouces est principalement maîtrisée par trois entreprises : la japonaise Sumitomo Electric Industries, l’allemande Freiberger Compound Materials et l’américaine AXT. En 2015, les substrats de 6 pouces représentaient déjà plus de 90 % des parts de marché.
En 2019, le marché mondial des substrats GaAs était dominé par Freiberger, Sumitomo et Beijing Tongmei, avec des parts de marché respectives de 28 %, 21 % et 13 %. Selon les estimations du cabinet de conseil Yole, les ventes mondiales de substrats GaAs (équivalents à 2 pouces) ont atteint environ 20 millions d'unités en 2019 et devraient dépasser les 35 millions d'unités d'ici 2025. Le marché mondial des substrats GaAs était évalué à environ 200 millions de dollars en 2019 et devrait atteindre 348 millions de dollars d'ici 2025, avec un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 9,67 % entre 2019 et 2025.
4. Monocristal de carbure de silicium
Actuellement, le marché est pleinement apte à soutenir la croissance de monocristaux de carbure de silicium (SiC) de 2 et 3 pouces de diamètre. De nombreuses entreprises ont fait état de la croissance réussie de monocristaux de SiC de type 4H de 4 pouces, ce qui témoigne de l'excellence de la Chine dans le domaine des technologies de croissance cristalline du SiC. Toutefois, un chemin important reste à parcourir avant la commercialisation.
En général, les lingots de SiC obtenus par des méthodes en phase liquide sont relativement petits, avec des épaisseurs de l'ordre du centimètre. C'est aussi une des raisons du coût élevé des plaquettes de SiC.
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Date de publication : 29 août 2025