Несовершенство технологий, использующих альтернативные материалы, позволит чистому кремнию оставаться базовым сырьем для электронной промышленности и солнечной энергетики как минимум до 2010г. Однако затем монополия чистого металла может быть нарушена

Для полноценного понимания тенденций и перспектив мировых рынков высокочистого кремния необходимо не только знание современной динамики данных рынков, но и того, какие факторы, события могут принципиально изменить эти рынки в будущем. И здесь принципиально важны как новые технологии производства и использования высокочистого кремния, так и альтернативные материалы и технологии, которые могут в принципе потеснить полупроводниковый кремний в электронике и солнечной энергетике.

Что касается технологий электроники, то прежде всего имеет смысл проанализировать базовые предпосылки для дальнейшего развития микросхем как таковых. И в первую очередь отметим, что степень интеграции микросхемы зависит от размера кристалла и количества помещенных на нем транзисторов. Основным же фактором, определяющим возможность увеличения числа транзисторов сверхбольшой интегральной схемы, являются минимальные топологические размеры элементов, называемые также проектными нормами. Обычно эта величина измеряется в микронах (мкм). По мере уменьшения проектных норм могут быть увеличены и тактовые частоты работы микропроцессора.

И еще в начале нынешнего десятилетия мировые объединения производителей полупроводников в рамках плана развития отрасли постановили, что в 2005г. стандартной мировой проектной нормой для полупроводниковых микросхем должен стать размер 0,1 мкм, в 2008г. – 0,07 мкм, а в 2014г. – 0,035 мкм. Последние две цифры, в частности, означают, что при выпуске терабитных микросхем на 1 см2 будет расположено до 390 млн. транзисторов.

Совершенствование технологий стимулирует изготовителей искать альтернативные высокочистому кремнию композитные материалы. В числе ключевых стимулов такого поиска то, что кремниевые чипы могут перестать работать при высоких температурах, в т.ч. и от тепла, выделяющегося в процессе работы самой микросхемы. Но в 2004г. исследователи японских корпораций Toyota Central R&D Labs и Denso Corporation нашли способ обойти эту проблему – с помощью такого “родственного” материала, как карбид кремния, более стойкого к высоким температурам, чем чистый кремний. Микросхемы, сделанные на “традиционном” кремнии, для нормальной работы нуждаются в вентиляторах или других устройствах охлаждения, что ставит пределы дальнейшей миниатюризации. Тогда как карбид кремния, как показывают исследования, можно использовать для производства электронных компонентов, способных работать не только с высокой мощностью, но и при высоких температурах (до 650 0С) и сильном радиоактивном излучении. Японские специалисты разработали новый способ получения кристаллов карбида кремния, позволяющий выпускать более крупные и надежные пластины, и, в свою очередь, делать эти пластины более дешевыми и более пригодными для промышленного изготовления.

Подчеркнем, что в качестве замены чистого кремния карбид кремния известен с 1950-х годов, однако до последнего вреиени не существовало надежного способа производства из него пластин.

Еще одной перспективной новой разработкой можно назвать реализованную IBM в 2004г. технологию изготовления транзисторов на напряженном германии (англ. “strained germanium”). Так же, как и в случае напряженного кремния (“strained silicon”), “изюминка” технологии заключается в том, что в кристалле полупроводника создается механическое напряжение, приводящее к увеличению подвижности носителей заряда и, как следствие, улучшению характеристик транзисторов, в частности, величин электрических токов.

По данным IBM, транзисторы, выполненные из напряженного германия, обладают втрое лучшими параметрами по сравнению с транзисторами из обычного чистого кремния. Несмотря на ряд недостатков (например, большое значение порогового напряжения p-n перехода), германий обладает лучшей проводимостью. Исследования IBM позволяют заключить, что для полупроводниковых микросхем, которые будут изготавливаться по нормам 32 нм и менее, германий окажется более предпочтительным материалом, чем кремний, так как для малых размеров элементов подвижность носителей зарядов является критическим параметром.

Вспомним и о т.н. кремниево-германиевой технологии, представляющей собой улучшенную разновидность биполярной технологии BiCMOS, но при этом обеспечивающей гораздо меньший уровень энергопотребления, чем при традиционном на сегодня производственном процессе CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor).

Вообще некоторые специалисты уже давно констатируют скорую “кончину” кремния как полупроводникового материала. Аргументация – в том, что и Intel, и другие лидирующие производители “традиционных” полупроводников якобы дошли до неизбежной физической границы использования кремниевых полупроводниковых технологий.

Однако нельзя не акцентировать, что германиевые или гибридные кремниево-германиевые технологические процессы в электронной промышленности, как показывает мировая практика, являются более сложными, трудоемкими и дорогими, чем кремниевые, и используются заметно реже. Поэтому, возможно, что даже IBM не пойдет на использование напряженного германия – разве что в единичных случаях.

Исходя из недостатков технологий, принципиально альтернативных кремниевым, в настоящее время перспективные разработки ведутся все же в направлении усовершенствования применения чистого кремния. И прежде всего выделим такую принципиальную основу подобного совершенствования, как нанотехнологии, производственно-технологические процессы, материалы и структурные схемы устройств, используемые для создания транзисторов и элементов схем размером менее 100 нм. Первые транзисторы размером менее 100 нм корпорация Intel выпустила в конце 1990-х гг., а в 2003г. начала изготовление 50-нм транзисторов на основе 90-нм технологии.

Одна из важнейших методик, применяемых для ускорения перехода на 50-нм транзисторы, – использование т.н. напряженного кремния (англ. “strained silicon”), что позволяет наращивать быстродействие транзисторов (до 30%) и, соответственно, микросхем. Эффект “напряженного” кремния известен довольно давно, однако корпорация Intel стала несколько лет назад первой, задействовавшей его в массовом выпуске своей продукции. По информации компании, стоимость изготовления транзисторов, в которых применяется “растянутый” кремний, увеличивается относительно обычных цифр всего лишь на 2%.

В конце позапрошлого года IBM и AMD представили улучшенный вариант “напряженной” технологии – метод Dual Stress Liners, позволяющий повысить производительность транзисторов на 24-30%. При этом внедрение новой разработки в производство не снижает количества годных чипов на кремниевой пластине, что означает сохранение себестоимости на прежнем уровне.

Далее, одним из динамично развивающихся направлений повышения быстродействия схем при низкой потребляемой мощности считается объединение технологии “кремний на изоляторе” – КНИ (SOI, Silicon-оn-Insulator) – с медными межсоединениями (англ. “copper interconnect”) на полупроводниковых кристаллах. В этой области также лидирует IBM, а точнее – ее подразделение IBM Microelectronics.

Более того, крупнейшие мировые полупроводниковые корпорации и научно-исследовательские организации, в частности, Lawrence Livermore National Laboratories, Sandia National Laboratories, Intel, AMD, сегодня прилагают масштабные усилия для создания новых технологий, которые позволят производителям полупроводниковых приборов, по крайней мере, до конца текущего десятилетия использовать в качестве исходного материала именно кремний. К примеру, вокруг одной из таких технологий, Extreme Ultra Violet (EUV), еще в конце 1990-х гг. объединилось несколько известных компаний – AMD, Intel, Infineon Technologies, Motorola, Micron и др. EUV предполагает усовершенствование процесса фотолитографии при выпуске микросхем – применение коротких ультрафиолетовых волн позволит реализовать более жесткие проектные нормы и, как следствие, разместить на одной и той же площади поверхности кристалла большее количество элементов. Развитие такой технологии уже привело к появлению кристаллов, работающих на тактовой частоте 10 ГГц, и дает возможность говорить о размерах базовых элементов порядка 70 нм. К 2009г. эти размеры могут уменьшиться до 30 нм, что соответствует примерно 150 атомам. Теоретическим пределом пока считаются размеры в 15-20 нм. Технология же фотолитографии полностью исчерпала свои возможности уже к 2003г.

В контексте идущего уже несколько лет поиска путей изготовления полупроводниковых микросхем на новых типах подложек (алмаз, сапфир) выделим завершение в середине 2004г. компанией Peregrine Semiconductor работы над технологией производства чипов по принципу “silicon-on-sapphire” с соблюдением норм 0,25 мкм. Данный метод позволяет выпускать кремниевые транзисторы предельной частотой выше 100 ГГц, что ранее было возможно только при использовании арсенид-галлиевых полупроводниковых устройств.

Необходимо также сказать и о таких перспективных разработках, как наномикросхемы и нанопровода, которые можно будет интегрировать с новыми технологиями на основе кремния в качестве новых форм проводников (межкомпонентных соединений) или транзисторов.

Кроме того, отметим трехмерные полупроводниковые приборы, первую в мире коммерческую модель которых представили корпорации Taiwan Semiconductor Manufacturing Corporation и Matrix Semiconductor в 2001г. За счет снижения расхода композитного материала трехмерная архитектура дает многократное сокращение себестоимости, позволяя комбинировать уже наработанные технологические приемы с целым новым дополнительным классом решений.

В Intel резюмируют: даже при теоретическом наличии альтернативных материалов гораздо практичнее внедрять описанные новации на базе кремниевых технологий, под которые уже создана разветвленная массивная инфраструктура. Поэтому появление в обозримом будущем некой альтернативной базовой технологии, которая будет способна составить реальную конкуренцию кремниевым, в корпорации считают маловероятным. Тем более что даже на современном, довольно высоком уровне развития кремниевых технологий большинство изготовителей электронных компонентов еще далеко не выработало производственный потенциал этих технологий. Многие же новые материалы могут казаться привлекательными сами по себе, однако в рамках массового производства не исключена их неэффективность, заключают в Intel. В итоге, скажем, на “кремниево-германиевые” полупроводниковые приборы пока приходится лишь небольшая часть глобального рынка подобной продукции (ежегодный объем продаж в указанном сегменте составляет приблизительно $1,6 млрд.).

Развиваются и технологии выпуска самого по себе чистого кремния. И если в части изготовления поликристаллов новых разработок очень немного, то на следующих этапах цепочки – в производстве монокремния и пластин – новации утверждаются довольно активно.

Так, рассказывает первый замдиректора химико-металлургической фабрики ММК им. Ильича Владимир Синельников, требования к кремниевым материалам солнечного и электронного качества уже начинают быть сопоставимыми, поэтому в дальнейшем ожидается переход на более совершенные технологии их выпуска. И если сейчас основной технологический процесс получения монокремния в мире – это т.н. сименс-процесс, и есть только одна компания, которая использует не сименс-процесс, а метод гранулированного изготовления, то уже в ближайшие годы такая “монополия” может исчезнуть. Весомого же прогресса в технологиях можно добиться только благодаря комплексному использованию входящего сырья, уверен В. Синельников.

Директор Центра солнечной энергии (Украина) Сергей Артеменко обращает особое внимание на перспективные тонкопленочные технологии. Важной разработкой является т.н. мультикремний, применяемый в производстве чистого кремния солнечного качества. И, по примерным оценкам ведущих участников рынка, по мультитехнологии на данный момент в мире выпускается уже 60-70% “солнечного” монокремния. В СНГ же, например, мощностями по изготовлению мультикремния располагает только Украина – точнее, ЗАО “Пиллар”, информируют рыночные операторы.

Наконец, выделим разработанную в прошлом году исследователями Университета Калифорнии (США) технологию уменьшения стоимости солнечных батарей путем использования кремния, не очищенного от примесей. Как известно, в соответствии с технологическими требованиями фотоэлектрические элементы питания должны состоять приблизительно из 90% очищенного кремния. Однако новый метод дает возможность управлять примесями так, чтобы значительно снизить их вредное воздействие на эффективность работы солнечной батареи. Отсутствие потребности в очистке и сокращает себестоимость солнечной батареи.

Ведутся профильные исследования и в СНГ. Скажем, несколько лет назад силами 7 институтов Сибирского отделения РАН был успешно завершен масштабный комплексный проект “Фундаментальные проблемы материаловедения полупроводникового кремния”, в рамках которого с применением метода бестигельной зонной плавки получены монокристаллы без дислокаций и с рекордными электрофизическими параметрами. А проведенное в ходе реализации проекта теоретическое моделирование тепловых и гидродинамических процессов в расплаве кремния с межфазными границами при бестигельном росте или росте монокристаллов методом Чохральского дало возможность выявить критические параметры, определяющие потенциал роста кристаллов большого диаметра – условия равновесия в тройной точке фазового контакта, скорости движения границы кристалл-расплав и др. Разработаны процессы синтеза кремнийорганических соединений из полисиланхлоридов, рассматриваемых обычно в качестве отходов кремниевого производства. Предложен новый процесс плазмохимического газофазного осаждения слоев карбида кремния — перспективного широкозонного полупроводника — из триметилхлорсилана и тетраметилсилана с использованием удаленной плазмы гелия. Ценные результаты по восстановлению кремния электронного качества из моносилана в специализированном малоэрозионном плазмотроне послужили основой для разработки плазмотрона мощностью 50-100 кВт с совмещенным процессом дистилляционной очистки и восстановления кремния из измельченных кварцитов с использованием газофазного водородсодержащего восстановителя.

Успешно опробована технология прямого получения кремния для солнечной энергетики методом направленной кристаллизации из рафинированного технического кремния, полученного карботермическим восстановлением чистых природных кварцитов Восточной Сибири (Черемшанского и Восточно-Саянского месторождений) с использованием производственных мощностей ЗАО “Кремний” (Иркутская обл., г. Шелехов).

Что же касается кремниевых пластин, то здесь главная тенденция – переход на 300-мм пластины. Полностью оснащенная фабрика по производству такого продукта стоит до $2 млрд., поэтому для выпуска 300-мм пластин многие компании объединяются в совместные предприятия – как, например, Motorola и Infineon Technologies.

Таким образом, до конца этого десятилетия кремний останется доминирующим исходным материалом и для электронной промышленности, и для солнечной энергетики. Поэтому, подводит итог директор Центра солнечной энергии, основные задачи дальнейшего рыночного успеха для изготовителей чистого кремния пока что заключаются в совершенствовании технологий и поддержании конкурентоспособного качества. И только к 2011-2012гг. альтернативные разработки смогут составить реальную конкуренцию кремниевым.