単結晶は自然界では稀少であり、たとえ発見されたとしても、通常は非常に小さく（典型的にはミリメートル（mm）スケール）、入手が困難です。ダイヤモンド、エメラルド、瑪瑙などは、一般的に市場に流通することはなく、ましてや産業用途に使われることもありません。ほとんどは博物館に展示されています。しかし、集積回路産業における単結晶シリコン、光学レンズに広く使用されているサファイア、第三世代半導体で勢いを増している炭化ケイ素など、一部の単結晶は大きな産業的価値を有しています。これらの単結晶を工業的に大量生産できることは、産業技術や科学技術の強さを示すだけでなく、富の象徴でもあります。産業界における単結晶生産の第一の要件は、コストをより効果的に削減するための鍵となるため、サイズが大きいことです。以下は、市場でよく見られる単結晶の例です。
1. サファイア単結晶
サファイア単結晶はα-Al₂O₃を指し、六方晶系でモース硬度9を有し、化学的性質が安定しています。酸性またはアルカリ性の腐食性液体に不溶性で、高温にも耐え、優れた光透過性、熱伝導性、電気絶縁性を示します。
結晶中のAlイオンがTiイオンとFeイオンに置換されると青色を呈し、サファイアと呼ばれます。Crイオンに置換されると赤色を呈し、ルビーと呼ばれます。しかし、工業用サファイアは純粋なα-Al₂O₃で、無色透明で不純物を含んでいません。
工業用サファイアは通常、厚さ400～700μm、直径4～8インチのウェハー状です。これらはウェハーと呼ばれ、結晶インゴットから切り出されます。下の写真に示すのは、単結晶炉から引き上げられたばかりの、研磨や切断前のインゴットです。
2018年、内モンゴル自治区の景輝電子有限公司は、世界最大となる450kgの超大型サファイア結晶の成長に成功しました。これまで世界最大のサファイア結晶は、ロシアで生産された350kgの結晶でした。画像からもわかるように、この結晶は形状が整然としており、完全に透明で、ひび割れや粒界がなく、気泡もほとんどありません。
2. 単結晶シリコン
現在、集積回路チップに用いられる単結晶シリコンの純度は99.9999999%から99.999999999%（9～11個の9）であり、420kgのシリコンインゴットはダイヤモンドのような完璧な構造を維持する必要があります。自然界では、1カラット（200mg）のダイヤモンドでさえ比較的希少です。
単結晶シリコンインゴットの世界生産は、日本の信越化学工業（28.0%）、日本のSUMCO（21.9%）、台湾のGlobalWafers（15.1%）、韓国のSK Siltron（11.6%）、ドイツのSiltronic（11.3%）の5大企業が独占しています。中国本土最大の半導体ウェーハメーカーであるNSIGでさえ、市場シェアは約2.3%に過ぎません。しかし、新興企業としてその潜在能力を過小評価すべきではありません。NSIGは2024年に、集積回路用300mmシリコンウェーハ生産設備のアップグレードプロジェクトに投資する計画で、総投資額は132億円と見込まれています。
チップの原料となる高純度単結晶シリコンインゴットは、直径が6インチから12インチへと進化しています。TSMCやGlobalFoundriesといった国際的な大手ファウンドリは、12インチシリコンウェーハを用いたチップを市場の主流にし、8インチウェーハは徐々に廃止されつつあります。国内大手のSMICは依然として主に6インチウェーハを使用しています。現在、高純度12インチウェーハ基板を生産できるのは、日本のSUMCOのみです。
3. ガリウムヒ素
ガリウムヒ素 (GaAs) ウェハーは重要な半導体材料であり、そのサイズは製造プロセスにおいて重要なパラメータです。
現在、GaAsウエハーは一般的に2インチ、3インチ、4インチ、6インチ、8インチ、12インチのサイズで製造されています。これらの中で、6インチウエハーは最も広く使用されている規格の一つです。
水平ブリッジマン法（HB法）で育成される単結晶の最大直径は一般的に3インチですが、液体封入チョクラルスキー法（LEC法）では最大12インチの単結晶を製造できます。しかし、LEC法による育成は設備コストが高く、結晶構造が不均一で転位密度が高いという欠点があります。垂直勾配凍結法（VGF法）と垂直ブリッジマン法（VB法）は現在、比較的均一な構造と低い転位密度を有し、最大8インチの単結晶を製造可能です。
4インチおよび6インチの半絶縁性GaAs研磨ウェーハの生産技術は、主に日本の住友電気工業、ドイツのフライベルガー・コンパウンド・マテリアルズ、米国のAXTの3社によって確立されています。2015年には、6インチ基板が市場シェアの90%以上を占めていました。
2019年の世界GaAs基板市場は、フライベルガー、住友、北京同美の3社がそれぞれ28%、21%、13%の市場シェアで市場を支配していました。コンサルティング会社Yoleの推計によると、GaAs基板の世界販売量（2インチ換算）は2019年に約2,000万枚に達し、2025年には3,500万枚を超えると予測されています。世界のGaAs基板市場は2019年に約2億ドルと評価され、2025年には3億4,800万ドルに達すると予想されており、2019年から2025年までの年平均成長率（CAGR）は9.67%です。
4. 炭化ケイ素単結晶
現在、市場は2インチおよび3インチ径の炭化ケイ素（SiC）単結晶の成長に十分な対応力を備えています。多くの企業が4インチの4H型SiC単結晶の成長に成功したと報告しており、中国はSiC結晶成長技術において世界トップレベルに達しています。しかしながら、商業化には依然として大きなギャップが存在します。
一般的に、液相法で成長したSiCインゴットは厚さがセンチメートルレベルと比較的小さく、これもSiCウェハの高コストの一因となっています。
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投稿日時: 2025年8月29日