Как театр начинается с вешалки, так и полупроводниковая фабрика начинается с кремниевой пластины. Именно на этих подложках возводятся удивительные многоэтажные сооружения с использованием чистейших химических продуктов и металлов, в результате чего и получаются полупроводниковые чипы.
Но прежде чем кремниевая пластина поступит на фабрику, над её созданием приходится как следует потрудиться. Цилиндрические слитки монокристаллического кремния нарезаются на диски толщиной около 1 мм (наиболее распространённые диаметры 300 и 200 мм). Затем пластины очищаются, полируются и предварительно обрабатываются (например, методом эпитаксии).
Слиток тоже проходит долгий путь от обычного кремнезёма до металлургического, а впоследствии и поликристаллического кремния, который и является сырьём, из которого в высокотемпературных печах выращиваются слитки кремния монокристаллического. Метод Чохральского является самой распространённой технологией, применяемой в этих целях.
Сложность состоит в том, что температура плавления кремния составляет 1420 градусов Цельсия. Отсюда следует, что в процессе Чохральского тигель (ёмкость) печи должен длительное время выдерживать подобные температуры, оставаясь стабильным. Более того, поскольку тигель соприкасается с кристаллом во время его роста, он непостредственно влияет на качество продукта.
В качестве материала для производства тигелей используется плавленый кварц высокой чистоты (99,999% и выше). И чистота здесь является ключевым требованием. Иначе в процессе кристаллизации в слитке образуются деформации, пузыри и помутнения. Из такой заготовки качественной пластины уже не сделать.
Можно сказать, что тигли являются расходным материалом, так как после извлечения готового слитка их обычно выбрасывают. Отсюда огромная постоянная потребность в высокочистом кварце. А его запасов на нашей планете совсем немного. Точнее говоря, разведано и освоено всего два крупных месторождения: Спрус-Пайн в американской Северной Каролине и Кыштымский рудник на Урале.
Американские компании Sibelco иThe Quartz Group производят до 80% мирового высокочистого кварца на своих мощностях в Спрус-Пайн, на втором месте располагается российская компания «Русский кварц», эксплуатирующая Кыштымские месторождения. Известно, что в 2013 году в состав учредителей компании вошла японская Sumitomo Corp (приобретя часть доли у госкорпорации «Роснано»). Предприятия «Русского кварца» обладают ультрапередовыми технологиями добычи, обогащения и очистки кварца, позволяющими получать высокочистые кварцевые концентраты.
Производителей менее чистого кварца в мире немало, в особвенности в Китае, Бразилии и Австралии. Но там, как правило, либо объёмы производства невелики, либо чистота продукта недостаточна для производства пластин полупроводникового качества. Ярким примером является китайская Jiangsu Pacific Quartz Mines. Разведанные запасы кварца этой компании огромны. Однако используются они в основном для производства солнечных панелей и зрелых полупроводниковых пластин. Высококачественный кварц Китаю приходится импортировать.
Последнее время ряд немецких, японских и американских компаний стараются развернуть производство синтетического кварца, получаемого химическим путём. Но пока о каких-то заметных достижения в этой области, способных составить конкуренцию природному кварцу, говорить не приходится.
До 2022 года по оценкам отраслевых экспертов доля российского производителя на мировых рынках оценивалась в добрые 15%. Свыше 90% продукции отправлялось на экспорт. В числе крупнейших покупателей российского сырья числились японские конгломераты Sumco и Covalent, немецкая Osram и китайская JNC. В наши дни информация о покупателях особо не афишируется.
Можно смело сказать, что наша страна является одним из крупнейших в мире производителей ценнейшего сырья для полупроводниковой промышленности. Это даёт нам возможность как спокойно развивать технологии производства полупроводниковых пластин внутри страны, так и экспортировать это высокоценное сырьё за границу.
Что делать с EUV фотолитографом? Читайте статью в премиум-разделе канала «Фотолитограф»: