Когда речь заходит о водороде, обычно на ум приходит возможность использования этого газа в качестве альтернативного, экологически чистого топлива в самых разных типах транспортных стредств: от автомобилей и до поездов. Но это скорее про пилотные проекты и отдалённую перспективу. А вот использование водорода в полупроводниковом производстве является необходимостью и реальностью уже дня сегодняшнего. Без водорода не обходится ни один DUV (глубокий ультрафиолет) или EUV (экстремальный ультрафиолет) фотолитограф, ключевые машины в производстве микрочипов.
Хорошо известно, что микрочипы «печатаются» на пластинах, изготовленных из монокристаллического кремния (как правило, выращенного «методом Чохральского» из расплава в тигеле). Однако сырьём для монокристаллического кремния служит кремний поликристаллический. И в его производстве самым широким образом испоьзуется водород: основная часть поликристаллического кремния в мире производится по технологии компании «Сименс» в реакторах водородного восстановления.
Водород также используется на многих ключевых этапах полупроводникового производства:
- Эпитаксии (в качестве восстановителя при создании тонких кристаллических плёнок на поверхности пластин).
- Плазменного травления (как средство удаления с поверхности пластин нежелательных отложений).
- Осаждения (для воздействия на тонкие кремниевые плёнки с целью придания им особых свойств).
- Отжига (помогает равномерно передавать тепло по поверхности пластины).
- Ионной имплантации (для модификации тонких плёнок).
Но подлинный расцвет применения водорода в полупроводниковом производстве пришёлся на наше время: эпоху EUV фотолитографии. Если раньше производственная полупроводниковая фабрика потребляла всего несколько баллонов в день (обычно стандартный баллон вмещает 7 м3 водорода под давлением порядка 175 бар), то сейчас количество ежедневно потребляемого водорода на передовых фабриках увеличилось в сотни раз. Огромные грузовые прицепы с баллонами, которые транспортируют на полупроводниковую фабрику, стали в наши дни обычной картиной. Почему так? Дело в том, чтобы объёмы потребления водорода в EUV установках в сотни раз превышают объёмы потребления предшествующих им DUV установок.
Это связано с разными источниками получения светового излучения в данных машинах. Глубокий ультрафиолет получают при помощи эксимерных лазеров (фторида криптона KrF для длины волны 248 нм и фторида аргона ArF для длины волны 193 нм). В DUV установках лидера рынка, голландской ASML, используются эксимерные лазеры производства американской компании Cymer, которую ASML в своё время сумела купить. Впрочем, второй по значимости в мире производитель фотолитографов японский Nikon также использует лазеры Cymer в своих машинах.
А вот в EUV машинах используется излучение экстремального ультрафиолета с длиной волны всего 13,5 нм. Для получения такого света используют олово, капли которого сначала испаряются под действием нагрева, а затем под воздействием CO2-лазеров генерируется излучение 13,5 нм света. Следует отметить, что в EUV фотолитографах ASML (мирового монополиста в подобной технике) используются CO2-лазеры американского производителя Access Laser Co. (принадлежит немецкой компании Trumpf). Проблема состоит в том, что в результате постоянно генерируются рассеянные оловянные отходы, способные загрязнить оптическую систему. Вот тут-то в дело и вступает водород. Поток этого газа подаётся в соответствующие зоны EUV машины и вступает в реакцию с отработавшими парами олова, образуя станнан, газообразное соединение олова и водорода, который затем выводится из установки с помощью вакуумной системы.
Так что без водорода EUV литографии никак не обойтись. Поэтому ведущие мировые поставщики промышленных газов, такие как немецкий конгломерат Linde, буквально по пятам следуют за полупроводниковыми гигантами, такими как TSMC и Samsung, чтобы своевременно обеспечить своими газами всё новые и новые фабрики этих компаний. Разумеется, когда речь заходит о газах для полупроводникового производства, дело не ограничивается одним водородом. Современная фабрика потребляет огоромное количество самых разных газов: от фторида криптона и фторида аргона в эксимерных лазерах до широчайшего ассортимента газов, используемых в установках сухого травления.
Что с промышленными газами у нас в России? С чем с чем, а с этим у нас полный порядок. Ещё со времён Советского Союза у нас построены мощные производства по этой части. Так что и аргон, и криптон, и ксенон, и водород у нас в достатке. Осталось только довести до ума отечественные фотолитографические машины, а чем их «заправить» — найдётся.
❗ Для знатоков и любителей микроэлектроники, полупроводниковой промышленности и фотолитографии: заходите в премиум-раздел канала «Фотолитограф».