Производство карбида кремния технология

Производство металлического кремния в России

После распада СССР ситуация изменилась. В России осталось производство поли- и монокристаллического кремния (ОАО «ПХМЗ», ОАО «Красцвемет»), пластин кремния (ОАО «ЭЛМА», завод «Аналог» в Ставрополе), микросхем и дискретных приборов (ОАО «Ангстрем», ОКБ «Микрон», АО «Электротехника», АО «Электровыпрямитель»).

Необходимо было наладить поставки сырья для производства поликристаллического кремния. Россия могла бы в то время покупать силаны в Запорожье, но к 1993 г. этот комбинат резко поднял цены, из-за чего сам испытал настолько серьезные трудности со сбытом, что был вынужден остановить производство. ЗТМК был единственным поставщиком моносилана и тетрахлорсилана, являющихся исходным сырьем для получения поликристаллического кремния на постсоветском пространстве.

Таким образом, производитель поликремния – ПХМЗ – был поставлен в сложные условия и был вынужден фактически заморозить производство материала – объем производства упал до 20…25 % от номинала. В 2002 г. производство поликристаллического кремния было полностью остановлено, оборудование демонтировано, а свободные мощности использованы для производства монокристаллического кремния по толлинговой схеме с возвратом материала в Германию.

С другой стороны, резкое падение в странах СНГ производства изделий микроэлектроники (в первую очередь интегральных схем для ЭВМ) повлекло за собой обвальное сокращение заказов для производителей кремниевых пластин, и в свою очередь, монокристаллического кремния. Часть предприятий продолжала работать, ориентируясь на сокращающийся оборонный заказ, однако и эти производители столкнулись к 1995 г. с кризисом неплатежей.

В настоящий момент на рынке кремния работают следующие предприятия:

· ОАО «ПХМЗ» – производство монокристаллического кремния на условиях толлинга, объем производства – 20…25 т ежемесячно;

· ОАО «Красцветмет» – производство монокристаллического кремния на условиях толлинга, объем производства – 2,5 т ежемесячно;

· ФГУП «ГХК» – производство монокристаллического кремния из собственных запасов поликристаллического кремния и на условиях толлинга. Ежемесячный объем производства не превышает соответствующего показателя ОАО «Красцветмет»;

· ЗАО «АМЕКС» – производство монокристаллического кремния на условиях толлинга, объем производства – 3…3,5 т ежемесячно.

Более 90 % всего выпускаемого в РФ монокристаллического кремния является продукцией солнечного качества и предназначено для отправки в ЕС, Японию и Китай в виде пластин, реже слитков. На территории РФ находится множество небольших производств, располагающих необходимыми мощностями по резке слитков монокристаллического кремния на пластины (Зеленоград, Рязань, Владивосток, Хабаровск и др.).

По состоянию на 2015 г. основными потребителями электронного кремния являлись ОАО «ЭЛМА», ОАО «Ангстрем», ФГУП «Новосибирский завод полупроводниковых приборов», ОАО «Воронежский завод полупроводниковых приборов», ЗАО «АМЕКС», ОКБ «Микрон».

Следует отметить, что после остановки в 2002 г. цеха по производству поликристаллического кремния ОАО «ПХМЗ» в РФ не осталось ни одного производителя поликристаллического кремния или сырья для его производства.

Начиная с 2004 г. в связи со стремительным изменением ситуации на рынке высокочистого кремния – колоссальным спросом на поликристаллический кремний солнечного качества, ростом потребления электронного кремния – многие компании во всем мире проявляют интерес к данной отрасли и ведут работы по организации производства данной продукции.

В РФ над созданием производства на уровне тех или иных переделов в настоящее время работают несколько компаний: группа компаний «НИТОЛ», группа компаний «Ренова», ОАО «ПХМЗ», ФГУП «ГХК», «Балтийская кремниевая долина» (проект «Центральноевропейский кремний»).

Рассмотрим подробнее, в каком режиме перечисленные компании ведут работы и каковы их перспективы.

1. Группа компаний «НИТОЛ». В рамках разработанной специалистами холдинга программы Nitol Solar предполагается организовать вертикально интегрированную структуру на основе входящего в холдинг Усолье Химпрома. На первом этапе организовано производство трихлорсилана полупроводникового качества, в дальнейшем планируется поэтапный пуск производства поликристаллического кремния на полную проектную мощность.

Сначала предполагалось производить до 1500 т в год, затем производство было расширено до 2000 т в год с возможностью последующего увеличения до 5000 т в год. Решение об организации производства монокристаллического кремния в слитках и пластинах, предназначенных для ФЭП и микросхем, в настоящее время не обнародовано и, по мнению экспертов, будет напрямую зависеть от складывающейся рыночной конъюнктуры.

2. Группа компаний «Ренова» (дивизион «Ренова Оргсинтез»). В рамках модернизации ОАО «Химпром» в Новочебоксарске также планируется организация производства трихлорсилана полупроводникового качества, в настоящий момент решение об организации производства поликристаллического кремния не принято. Данный проект не является приоритетным в рамках функционирования холдинга. Готовность проекта гораздо ниже, чем у группы «НИТОЛ».

Следует отметить, что оба холдинга развивают производство на мощностях компаний химической промышленности, специализировавшихся в советские времена на производстве предметов бытовой химии, лакокрасочных покрытий и т. д. Основными преимуществами данного подхода является использование накопленного на предприятиях опыта по работе с производством химических соединений и реагентов. Кроме того, представляется возможным использование действующей инфраструктуры и кадрового потенциала предприятий. Появление данных компаний на относительно новом для них рынке связано в первую очередь с исключительной рыночной конъюнктурой, непродолжительностью предполагаемого срока окупаемости проектов, а также астрономическими нормами прибыли. Следует учитывать, однако, что высокий уровень спроса на продукцию кремниевой отрасли может в ближайшие 5…7 лет стабилизироваться за счет роста динамично увеличивающегося предложения ведущих производителей и вновь создаваемых по всему миру заводов. В таких условиях предприятие частного акционерного капитала, успешно функционирующее в рамках работы холдинга, может быть реализовано тем компаниям, для которых данный бизнес является ключевым. Вполне естественный рыночный процесс может вновь поставить под угрозу наличие в РФ собственных мощностей по производству стратегически важной продукции.

Возможность слияний и поглощений особенно актуальна для инвестиционной группы «Ренова», специализирующейся на прямых и портфельных инвестициях в различных отраслях промышленности, для которой данный бизнес является непрофильным. В отличие от «Реновы», группа «НИТОЛ» изначально специализировалась на химической промышленности и одним из первых активов был завод «Химпром», расположенный в городе Усолье-Сибирское Иркутской области. Однако вероятность глобализации в связи с масштабами данного бизнеса высока для обоих предприятий, не связанных государственным участием или государственным заказом.

3. ОАО «ПХМЗ» (программа «Подольский кремний»).

В условиях острого дефицита высокочистого кремния всех технологических переделов сложившиеся в 2006 г. руководство компании было вынуждено принять решение о возобновлении производства поликристаллического кремния. Реализация проекта произошла в 2010 г. для собственных нужд. Основной причиной послужило сокращение поставок давальческого сырья. Кроме того, начиная с 2003 г. руководство ОАО «ПХМЗ» организовало производство ФЭП. Таким образом, ОАО «ПХМЗ», учитывая опыт работы с высокочистым кремнием, вероятнее всего является наиболее перспективным и сравнительно просто реализуемым проектом в РФ на сегодняшний день. Главной особенностью проекта ОАО «ПХМЗ» является потребление поликристаллического кремния собственным производством монокристаллического кремния и ориентация на экспорт продукции последующих технологических переделов.

Для проекта характерна сравнительная простота реализации, связанная в первую очередь с тем, что производство не создается с нуля, а восстанавливается, технология известна, персонал удалось сохранить. Для данного предполагаемого производства принципиально новым переделом является организации резки кремниевых пластин и возможная сборка ФЭП. Немаловажным условием является участие в данном проекте правительства Москвы, которое в настоящий момент выражается, правда, только в декларативных заявлениях о перспективности направления и призыве инвесторов обратиться к предприятию.

Особенностью данной компании также является частный характер капитала, не исключающий смену собственника и переход успешно функционирующей компании под руководство одного из ведущих мировых продуцентов, а также планируемое полное потребление всей производимой продукции (поликристаллического кремния) в рамках собственного производства для выполнения долгосрочных контрактов по поставке монокристаллического кремния солнечного качества в страны ЕС. Собственное потребление продукции низших переделов является признаком сбалансированной производственной программы предприятия, однако на практике означает отсутствие возможности для маневра в рамках стратегических целей РФ – нет возможности развивать отечественное полупроводниковое производство, собственное производство ФЭП.

4. «Балтийская кремниевая долина» (программа «Центральноевропейский кремний»). Предполагает альтернативную технологию, не имеющую аналогов в мире. Авторами данного проекта являлся Нобелевский лауреат, академик Российской академии наук А. М. Прохоров и кандидат технических наук Г. Н. Петров. Предполагаемые источники финансирования проекта – средства частных и государственных иностранных компаний (страны ЕС, Оман). Предлагаемая технология не имеет к настоящему моменту опыта промышленного применения, сам проект представляется высокорискованным. Суть его состоит в том, что в городе Сосновый Бор (Ленинградская область) на базе АЭС будет производиться нейтронное легирование кремния в канальном ядерном реакторе.

Так как нейтроны являются «побочным продуктом» реакции и электроэнергия производится непосредственно на месте, предполагаемая себестоимость кремния будет низкой, а чистота конечного продукта составит 99,999 999 9 %, что превышает все существующие требования к электронному кремнию. Еще одно преимущество: в Северо-Западном регионе расположено много исследовательских центров со специалистами международного уровня, однако справедливости ради следует отметить, что специализированных отраслевых центров в регионе нет.

Отсутствие обнародованного экспертного мнения ФГУП «Гиредмет» о перспективности использования предложенной технологии, научной обоснованности и возможности практического применения, а также потребность в значительных стартовых инвестициях не позволяет проекту рассчитывать на значительную поддержку со стороны государства. Кроме того, развитие производства в рамках инвестиционного проекта с участием западных инвесторов снижает стратегическую ценность данного предприятия непосредственно для РФ.

5. ФГУП «ГХК». Разработанная в рамках конверсии производств ГК Росатом

программа, получившая впоследствии название «Кремний России», позволяет развернуть организацию крупнейшего на постсоветском пространстве завода по производству поликристаллического кремния. Поэтапный план ввода в эксплуатацию мощностей завода предполагает прямую и обратную вертикальную интеграцию, то есть производство сырья для поликремния, а также наращивание мощностей по производству монокристаллического кремния в слитках и пластинах.

Стратегическим преимуществом проекта является государственная поддержка и финансирование данной программы, что с одной стороны обеспечивает определенный запас инвестиционной прочности, а с другой – позволяет значительно снизить политические риски. Основными предпосылками развития проекта являются относительная близость сырья (прежде всего, высококачественных кварцитов, которые уже разведаны, оконтурены), наличие относительно дешевой электроэнергии Красноярской ГЭС и готовая инфраструктура на площадке базового предприятия. Кроме того, высокотехнологичное основное производство предприятия определило наличие высококвалифицированных кадров, способных с минимальной переподготовкой освоить новое производство.

Основными преимуществами государственного участия в проекте является:

– гарантированное обеспечение полупроводниковой отрасли страны необходимым сырьем;

– обеспечение отечественных производителей ФЭП необходимым сырьем (по мере развития солнечной энергетики в РФ);

– в случае изменения экономической конъюнктуры возможность обеспечения завода государственными заказами путем искусственного стимулирования развития отечественного производства солнечной энергии;

– государственная собственность как гарантия сохранения актива в руках отечественных инвесторов (в данном случае государства) и последующего выполнения заводом государственных заказов. По результатам предварительной оценки сравним существующие в РФ кремниевые проекты, находящиеся в центре внимания и периодически обсуждаемые в прессе (см. таблицу).

Очевидно, что по результатам анализа наиболее привлекательными должны быть признаны проекты 3 и 5, как наиболее подготовленные к реализации, опробованные, обеспеченные финансированием и государственной поддержкой. Следует отметить, что ОАО «ПХМЗ» строит свою стратегию обратной вертикальной интеграции до уровня производства поликристаллического кремния. Данная стратегическая позиция обусловлена в первую очередь близостью основных производственных мощностей к столице РФ, а также отсутствием достаточного финансирования и опыта производства силанов.

С одной стороны, это позволяет ОАО «ПХМЗ» существенно снизить потребность в инвестициях, с другой – создает потенциальную угрозу оказаться во власти поставщиков («Ренова», «НИТОЛ»). Реализация данной угрозы может существенно снизить положительный экономический эффект от организации дополнительного передела (производства поликремния). По мере последовательного пуска производства поликристаллического кремния на полную мощность, группой «НИТОЛ» возможно сокращение поставок необходимого сырья в адрес ОАО «ПХМЗ» по причине приоритетного обеспечения собственных производственных мощностей, а также как эффективный способ конкурентной борьбы. При условии одновременной прямой интеграции группы «Ренова» и организации компанией собственного производства поликристаллического кремния либо поглощения данного актива иностранным продуцентом поликристаллического кремния, проект «Подольский кремний» может полностью лишиться ресурсной базы и оказаться в ситуации, аналогичной той, в которой завод оказался в 90-е годы с ЗТМК. В качестве наиболее вероятного варианта развития событий можно предположить работу в будущем на давальческом сырье, предоставляемом поставщиками с последующим возвратом большей части продукции. Такой подход позволит сохранить производство поликристаллического кремния и частично загрузить собственные мощности по производству монокристаллического кремния, однако, скорее всего, это не гарантирует высоких доходов, характерных для отрасли в настоящее время.

В отличие от ОАО «ПХМЗ», ФГУП «ГХК» предполагает в будущем организацию производства силанов из технического кремния, что необходимо для производства поликристаллического кремния. На практике это означает, что в будущем предприятие сможет ослабить власть поставщиков, повысить эффективность деятельности, свободно реализовывать свою продукцию потребителям.

Можно сделать вывод, что наиболее привлекательным, подготовленным, устойчивым к влиянию внешней среды и обеспеченным ресурсами и поддержкой государства является проект «Кремний России», реализуемый на площадке ФГУП «ГХК» в городе Железногорске Красноярского края. Обладая всеми преимуществами законченной вертикально интегрированной структуры, данный проект располагает запасом прочности и может быть обеспечен государственными заказами. Следует отметить, что в настоящий момент государственный заказ и потребность в высокочистом кремнии для микроэлектроники в РФ оценивается в размере не более 100 т в год (оптимистичный прогноз), величина внутреннего спроса на солнечные батареи значительно ниже.

Таким образом, развитие кремниевой отрасли в РФ может осуществляться по альтернативным сценариям.

1. Ориентация производства большей части продукции на экспорт с одновременным удовлетворением собственных нужд по мере необходимости. Внутреннего рынка, несмотря на стратегическую важность государственного заказа, при средней производительности каждого из заводов 1 200 т в год, практически не существует. Спрос на высокочистый кремний солнечного качества в мире по разным оценкам достигает величины 50000 т в год (в 2014 г.) при общем объеме производства солнечного кремния 25000–30000 т в год. Исходя из фактических данных можно утверждать, что на рынке, очевидно, присутствует дефицит предложения. В таких условиях многие ведущие мировые производители высокочистого кремния заявили о планируемом росте производства, однако несмотря на это, в случае пуска российских заводов в ближайшем будущем гарантированные рынки сбыта для их продукции будут обеспечены. Тем не менее, учитывая будущие перспективы жесткой конкуренции на внешнем рынке, следует быть готовым к снижению спроса в связи со снижением роста потребления электронного и солнечного кремния и одновременным резким ростом предложения. Учитывая суммарные производственные мощности (около 4 500 т) и фактическое отсутствие внутреннего рынка, в случае изменения рыночной ситуации и удовлетворения общего спроса крупнейшими компаниями, российская кремниевая промышленность может испытать серьезные трудности со сбытом продукции, перепроизводство и последующее сворачивание мощностей. Роль государства в этом случае будет заключаться либо в поддержке неэффективных производств посредством субсидирования, увеличения объемов государственного заказа, либо в устранении последствий краха – участии в повышении квалификации работников, их трудоустройстве и т. д.

2. Развитие отечественных программ поддержки солнечной энергетики, экспорт продукции последних технологических переделов – ФЭП, микросхем. Данный вариант развития событий предполагает глубокую прямую интеграцию создаваемых производств, а также стимулирование отечественной солнечной энергетики. Отсутствие необходимого опыта производства интегральных микросхем на данном этапе не позволяет российским предприятиям включиться в конкурентную борьбу с ведущими мировыми производителями, однако высокий спрос на готовые ФЭП, в принципе, дает возможность закрепиться на мировым рынке производителям солнечных элементов при условии удовлетворения их продукции качественным показателям. Будущий рост предложения является существенной угрозой и в данном сценарии, однако емкий внутренний рынок солнечных систем, созданный благодаря государственным программам поддержки солнечной энергетики, позволит сохранить наиболее эффективные и стратегически важные производства. Таким образом, можно сделать вывод, что несмотря на существенное превышение величины предложения величиной спроса на высокочистый кремний в мире, создаваемые и существующие российские производители в настоящий момент стоят перед выбором возможных альтернатив развития. Выбор предприятий и актуализация одного из двух существующих вариантов во многом зависят от позиции государства по отношению к солнечной энергетике и микроэлектронике.

Учитывая стратегическую заинтересованность власти в развитии наукоемких производств, следует предполагать, что предпочтительным вариантом развития событий является активное культивирование солнечной энергетики в РФ, а также стимулирование отечественных производителей микроэлектроники, а значит, рост потребления интегральных микросхем отечественного производства. Дефицит отечественного спроса на данную продукцию на первом этапе развития программ будет компенсирован высоким спросом на внешнем рынке с последующей постепенной ориентацией на внутренний спрос и обеспечение отечественных программ.

В данном контексте в качестве приоритетных можно выделить проекты «Кремний России» и «Подольский кремний», реализуемые с участием государства и при его поддержке. Оба проекта могут выступать в качестве базиса для национальных программ, выступая в роли надежных поставщиков продукции, кроме того, в будущем возможна кооперация предприятий в рамках выполнения обязательств по данным программам и минимизирования власти поставщиков. Для остальных проектов возможным вариантом также является участие в национальных программах, однако для них данная возможность является альтернативой в случае изменения ситуации на мировом рынке. Возможная смена собственника, снижение объемов производства или переориентирование данных производств на выпуск другой продукции, при условии существования двух предприятий, выполняющих государственный заказ и участвующих в национальных программах, не несет в данной ситуации никакой стратегической угрозы.

Контакты

Направления деятельности > Комплексное проектирование > Производство поликристаллического кремния

Производство поликристаллического кремния

Поликристаллический кремний (ПКК) — стратегическое сырьё полупроводниковой промышленности. В основном ПКК используется для получения монокристаллического кремния (МКК) и мультикремния (МК). По качеству ПКК разделяют на кремний «солнечного» качества и «электронного» качества.
ПКК «электронного» качества с массовой долей примесей — 10-7 ÷ 10-8 % используется в современной микроэлектронике, промышленной и силовой электронике.
ПКК «солнечного» качества используется в энергетике для производства солнечных батарей.
Сырьем для производства ПКК является кремний «металлургического качества» с чистотой до 98-99%
Более 90% мирового рынка поликристаллического кремния контролируют компании США, Японии, Германии и Италии.
В настоящее время в мире существует дефицит ПКК, в связи с чем в ряде стран приняты программы по развитию кремниевого производства.
Ранее в СССР производилось до 12% мирового поликристаллического кремния, основные производственные мощности располагались в Украине и Киргизии.
Среди российских производителей поликристаллического кремния можно перечислить:

  • Подольский химико-металлургический завод
  • Красноярский Горно-химический комбинат (г. Железногорск)
  • Предприятие ООО «Усолье-Сибирский Силикон» группы НИТОЛ.

В настоящее время в России монокристаллический кремний на предприятиях вырабатывается из высокочистого зарубежного сырья, поэтому вопрос развития производства поликристаллического кремния остается актуальным.
Получение чистого и сверхчистого кремния требует предварительного синтеза чистейших исходных соединений кремния (SiCl4, SiHCl3, SiH4), из которых кремний извлекают путем восстановления или термического разложения.
Традиционно для получения поликристаллического кремния используется технология “Siemens C”, на долю которой приходится основная часть (>70%) мирового производства поликристаллического кремния.
Из технического кремния хлорированием синтезируют трихлорсилан (ТХС), который очищается путём многостадийной ректификации от побочных продуктов синтеза трихлорсилана — Н2, НСl, тетрахлорида кремния (ТХК) и направляется в реактор водородного восстановления, где происходит процесс осаждения кремния на стержни-основы. Выделенные при очистке синтезированного ТХС побочные продукты возвращаются обратно в цикл производства ПКК. Хлористый водород возвращается на синтез ТХС, синтезированный ТХК и часть водорода направляются на конверсию ТХК (преобразование ТХК в ТХС), остальной водород подается на водородное восстановление кремния.

В процессе восстановления кремния в реакторах помимо продукта – чистого поликристаллического кремния – образуются побочные продукты – тетрахлорид кремния и хлористый водород, которые в смеси с непрореагировавшими водородом и трихлорсиланом, а также продуктами конверсии ТХК направляются на установки, где происходит отделение Н2, НСl, а также разделение оборотных хлорсиланов на ТХС и ТХК, возвращаемых в технологический процесс. Оборотный трихлорсилан с водородом возвращаются в реакторы восстановления кремния, хлористый водород – на синтез ТХС, а оборотный тетрахлорид кремния направляется в конверторы для преобразования в трихлорсилан.
В 2007-2009-х годах ГК «ЛЕННИИХИММАШ» выполнено два проекта производств поликристаллического кремния мощностью 300 и 3000 тонн в год.
По оригинальной технологической схеме специалистами ГК «ЛЕННИИХИММАШ» были разработаны установки конденсации хлорсиланов и разделения парогазовой смеси, включающие получение продуктов высокой чистоты, — четыреххлористого кремния, трихлорсилана, водорода и хлористого водорода с целью дальнейшего их возврата в производство поликристаллического кремния, а также установки очистки и нейтрализации промстоков и отходящих газов, обеспечивающих защиту окружающей среды от вредных выбросов.
Разработанная ГК «ЛЕННИИХИММАШ» методика расчета очистки сбросных газов и утилизация промстоков промышленного производства поликристаллического кремния применима и для других продуктов полупроводниковой группы.
ГК «ЛЕННИИХИММАШ» также было разработана, изготовлена и поставлена на площадку большая часть основного технологического оборудования установок, трубопроводная арматура, а также приборы КИПиА.
Строительство данных установок в настоящее время ведется на ООО «Усолье-Сибирский Силикон» компании НИТОЛ.

Монокристаллический карбид кремния и способ его получения

Изобретение предназначено для полупроводниковой техники и может быть использовано при получении полупроводниковых подложек для светоизлучающих диодов. На подложку — монокристаллический -SiC- наносят методом термохимического осаждения из паровой фазы поликристаллический слой -SiC. Температура осаждения 1300-1900°С. Комплекс монокристалл -SiC-поликристалл -SiC подвергают термообработке под давлением насыщенного пара SiC для превращения -SiC в монокристалл. Температура термообработки 1800-2400°С. Монокристалл -SiC ориентирован в том же направлении, что и кристаллографическая ось монокристалла -SiC. Получают монокристалл большого размера, превосходящий по термостойкости, механической прочности, емкости, частоте, электрической прочности и стойкости к внешним воздействиям известные полупроводниковые материалы. 2 с. и 9 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к монокристаллическому карбиду кремния SiC и способу его получения, в частности к монокристаллическому SiC, используемому в качестве полупроводниковой подложки для светоизлучающего диода и электронного устройства или т.п., и к способу его получения.

Описание предшествующего уровня техники SiC (карбид кремния) обладает исключительными свойствами: теплостойкостью и механической прочностью и высоким сопротивлением излучению. Кроме того, он позволяет легко контролировать валентность электронов и дырок посредством легирования какой-либо примесью. SiC имеет широкую запрещенную зону (например, монокристалл 6Н-SiC имеет запрещенную зону около 3,0 эВ, а монокристалл 4H-SiC имеет запрещенную зону около 3,26 эВ). Это позволяет обеспечить высокие показатели по емкости, частоте, электрической прочности диэлектрика и стойкости к окружающим условиям, которые недостижимы в существующих полупроводниковых материалах, таких как Si (кремний) и GaAs (арсенид галлия). Поэтому монокристаллический SiC заслуживает внимания как материал, который может стать полупроводниковым материалом для энергетических приборов следующего поколения. Известен способ выращивания (получения) монокристаллического SiC такого типа методом сублимации и рекристаллизации с использованием затравочного кристалла, а также способ, при котором эпитаксиальное выращивание осуществляют в условиях высокой температуры на кремниевой подложке, используя метод химического осаждения из паровой фазы (метод ХОПФ), в результате чего получают монокристаллический кубический SiC (

-SiC). Однако в этих известных методах скорость выращивания кристалла составляет всего 1 мкм/ч. Кроме того, недостатком метода сублимации и рекристаллизации является то, что в выращиваемом кристалле количество микроотверстий диаметром в несколько микрон, проходящих через кристалл в направлении роста, остается в пределах 100-1000 на см2. Такие микроотверстия называют микротрубчатыми дефектами, и они вызывают возникновение тока утечки при изготовлении полупроводникового устройства. Эти проблемы препятствуют практическому использованию монокристаллического SiC, имеющего более высокие характеристики, чем другие существующие полупроводниковые материалы, такие как SiC и GaAs. При использовании высокотемпературного метода ХОПФ температура подложки достигает 1700-1900oC, чтобы обеспечить восстановительную атмосферу высокой чистоты. Поэтому данный метод трудно осуществим с точки зрения оборудования. Кроме того, эпитаксиальное выращивание ограничено по скорости. РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Учитывая перечисленные выше недостатки известного уровня техники, в основу настоящего технического решения поставлена задача получения качественного монокристаллического SiC с минимальным количеством дефектов кристаллической решетки и микротрубчатых дефектов, которая решается посредством проведения высокотемпературной термообработки. Еще одной задачей изобретения является создание способа, позволяющего настолько повысить скорость выращивания монокристаллического SiC, чтобы обеспечить возможность получения монокристалла достаточной площади и тем самым ускорить его практическое применение в качестве полупроводникового материала. Предложенный монокристаллический SiC отличается тем, что комплекс, в котором поликристаллический слой, состоящий из атомов Si и C, сформирован на поверхности основы из монокристаллического SiC, подвергают термообработке, обеспечивающей превращение поликристаллов поликристаллического слоя в монокристалл и выращивание монокристалла, ориентированного в том же направлении, что и кристаллографическая ось монокристаллической основы. Согласно изобретению комплекс, содержащий основу из монокристаллического SiC и поликристаллический слой, сформированный на поверхности основы, подвергают высокотемпературной термообработке, обеспечивающей фазовое превращение поликристаллов поликристаллического слоя, блокирование проникновения примесей извне между основой из монокристаллического SiC и поликристаллическим слоем, ориентацию кристалла в том же направлении, что и кристаллографическая ось монокристаллического SiC основы, и образование единого целого с монокристаллом основы, что позволяет выращивать качественный монокристалл большой площади с весьма ограниченным количеством дефектов кристаллической решетки и микротрубчатых дефектов. Тем самым обеспечивается возможность ускорить практическое применение монокристаллического SiC, который превосходит по емкости, частоте, электрической прочности диэлектрика и устойчивости к внешним воздействиям существующие полупроводниковые материалы, такие как Si (кремний) и GaAs (арсенид галлия), и может использоваться как полупроводниковый материал для энергетических приборов. Предложенный способ получения монокристаллического SiC заключается в том, что наносят поликристаллический слой, состоящий из атомов Si и C, на поверхность основы из монокристаллического SiC, подвергают комплекс термообработке для превращения поликристаллов поликристаллического слоя в монокристалл, обеспечивая тем самым выращивание как единое целое монокристалла, ориентированного в том же направлении, что и кристаллографическая ось монокристаллического SiC основы. Этот аспект изобретения обеспечивает такой же результат, как и первое изобретение, а именно облегчает выращивание качественного монокристаллического SiC с минимальным количеством дефектов кристаллической решетки и микротрубчатых дефектов с высокой эффективностью с точки зрения площади и количества, а это позволяет стабильно производить и поставлять в промышленных масштабах монокристаллический SiC, являющийся полупроводниковым материалом с очень высокими характеристиками. В предложенном способе получения монокристаллического SiC поликристаллический слой, входящий в состав комплекса, является поликристаллическим слоем -SiC, выращенным на поверхности основы из монокристаллического SiC методом термохимического осаждения из паровой фазы, и температура термохимического осаждения поликристаллического слоя -SiC из паровой фазы составляет от 1300 до 1900oC. При этом получается монокристаллический SiC высокой чистоты и высокого качества, имеющий минимальное количество дефектов кристаллической решетки и микротрубчатых дефектов, а также блокируется проникновение и диффузия примесей между основой из монокристаллического SiC и поликристаллическим слоем на ее поверхности. Перечень фигур чертежей Фиг. 1 схематически изображает комплекс перед термообработкой для получения монокристаллического SiC согласно изобретению, фиг. 2 изображает увеличенный вид основной части перед термообработкой для получения монокристаллического SiC, фиг. 3 изображает увеличенный вид основной части монокристаллического SiC после термообработки. Подробное описание предпочтительных вариантов реализации изобретения В дальнейшем описывается вариант реализации изобретения. На фиг.1 схематически показан комплекс M перед термообработкой монокристаллического SiC. Комплекс M формируют путем наращивания слоя 2 из поликристаллического кубического -SiC на поверхность основы 1 из монокристаллического гексагонального -SiC (типа 6Н или 4Н) методом термохимического осаждения из паровой фазы (в дальнейшем именуемого как метод термического ХОПФ) при температуре в интервале 1300-1900oC. Как ясно видно на микроснимке протравленного участка на фиг.2, на стадии наращивания слоя 2 поликристаллического -SiC поликристаллы 4 поликристаллического слоя 2 -SiC наращиваются на поверхности основы 1 из монокристаллического -SiC, содержащего дефекты кристаллической решетки, при этом основа 1 из монокристаллического -SiC и слой 2 из поликристаллического -SiC контактируют друг с другом по граням кристаллов разной формы, так что ясно видна линейная межфазная граница 3. После этого весь комплекс M подвергают термообработке под давлением насыщенного пара SiC при температуре от 1900 до 2400oC, предпочтительно, 2000-2200oC. При этом поликристаллы 4 слоя 2 поликристаллического -SiC претерпевают фазовое превращение в -SiC, ориентированный в том же направлении, что и кристаллографическая ось монокристаллического -SiC основы 1, и объединяются в единое целое с монокристаллом основы 1 монокристаллического SiC, в результате чего выращивается большой монокристалл 5. Когда комплекс M, в котором поликристаллы 4 поликристаллического слоя 2 -SiC сформированы на поверхности основы 1 монокристаллического -SiC методом термического ХОПФ, подвергается термообработке, описанной выше, в поверхности межфазной границы 3 происходит рост кристалла, в основном твердофазный, при котором колебания кристаллической решетки, происходящие на поверхности межфазной границы 3, изменяют расположение атомов. В результате, как ясно показано на микроснимке протравленного участка на фиг.3, можно получить монокристаллический SiC высокого качества, практически лишенный дефектов кристаллической решетки и микротрубчатых дефектов (10 или меньше на 1 см2), с гарантированным большим размером в смысле площади. В этом варианте в качестве основы из монокристаллического SiC использована основа 1 из монокристаллического -SiC. Альтернативно можно использовать, например, спеченный элемент из -SiC или спеченный элемент из монокристаллического -SiC. Слой 2 из поликристаллического кубического -SiC, который наращивается на поверхности основы 1 из монокристаллического -SiC методом термического ХОПФ, используется в качестве поликристаллического слоя. Альтернативно можно использовать, например, слой из поликристаллического кубического -SiC, спеченный элемент из SiC высокой чистоты или аморфный слой высокой чистоты (1014 атм/см3 или ниже), что также позволит получить монокристаллический SiC высокого качества, как и в описанном выше варианте. В качестве монокристаллического -SiC основы 1 можно использовать SiC типа 6Н или 4Н. При использовании SiC типа 6Н монокристалл, полученный в результате превращения поликристаллов слоя 2 из поликристаллического -SiC в -SiC в процессе термообработки, легко выращивается в той же форме, что и монокристалл типа 6Н. Когда используется основа 1 из монокристалла типа 4Н, происходит легкое превращение и выращивание монокристалла в той же форме, что и монокристалл типа 4Н. Предпочтительно, чтобы температура термообработки комплекса M была в пределах 1900-2400oC, а время обработки составляло 1-3 часа. При температуре термообработки ниже 1900oC кинетическая энергия атомов не может передаваться большей части SiC, образующего межфазную границу. При температуре выше 2400oC образуется тепловая энергия, которая превосходит энергию разложения SiC, и происходит разложение самих монокристаллов SiC. Промышленная применимость Предложенный способ, согласно которому комплекс, содержащий поликристаллический слой, состоящий из атомов Si и C, сформированный на поверхности основы из монокристаллического SiC, подвергают термообработке, обеспечивающей выращивание как единое целое монокристалла большого размера, ориентированного в том же направлении, что и кристаллографическая ось монокристаллического SiC основы, позволяет получить монокристалл высокого качества, обладающий исключительной термостойкостью и механической прочностью и обеспечивающий высокие показатели по емкости, частоте, электрической прочности диэлектрика и стойкости к внешним воздействиям, которые недостижимы в известных полупроводниковых материалах, при этом обеспечивается высокая эффективность и стабильность в смысле площади и количества.

Формула изобретения

1. Монокристаллический SiC, отличающийся тем, что комплекс, содержащий поликристаллический слой, состоящий из атомов Si и C, сформированный на поверхности основы из монокристаллического SiC, подвергнут термообработке, обеспечивающей превращение поликристаллов поликристаллического слоя в монокристалл и выращивание монокристалла, ориентированного в том же направлении, что и кристаллографическая ось монокристаллической основы. 2. Монокристаллический SiC по п.1, отличающийся тем, что упомянутой основой из монокристаллического SiC, входящей в состав упомянутого комплекса, является монокристаллический -SiC. 3. Монокристаллический SiC по п.1, отличающийся тем, что упомянутый поликристаллический слой, входящий в состав комплекса, является слоем поликристаллического -SiC, выращенным на поверхности основы из монокристаллического SiC методом термохимического осаждения из паровой фазы. 4. Монокристаллический SiC по п.3, отличающийся тем, что температура термохимического осаждения из паровой фазы упомянутого слоя поликристаллического -SiC составляет 1300 — 1900oC. 5. Способ получения монокристаллического SiC, отличающийся тем, что наносят поликристаллический слой, состоящий из атомов Si и C, на поверхность основы из монокристаллического SiC, и подвергают упомянутый комплекс термообработке для превращения поликристаллов упомянутого поликристаллического слоя в монокристалл, обеспечивая тем самым выращивание как единое целое монокристалла, ориентированного в том же направлении, что и кристаллографическая ось монокристаллической основы. 6. Способ получения монокристаллического SiC по п.5, отличающийся тем, что монокристаллический -SiC используется в качестве упомянутой основы из монокристаллического SiC, входящей в состав упомянутого комплекса. 7. Способ получения монокристаллического SiC по п.5, отличающийся тем, что слой поликристаллического -SiC, выращенный на поверхности упомянутой основы из монокристаллического SiC методом термохимического осаждения из паровой фазы, используется в качестве упомянутого поликристаллического слоя, входящего в состав упомянутого комплекса. 8. Способ получения монокристаллического SiC по п.7, отличающийся тем, что температура термохимического осаждения из паровой фазы упомянутого слоя поликристаллического -SiC составляет 1300 — 1900oC. 9. Способ получения монокристаллического SiC по п.7, отличающийся тем, что термообработку упомянутого комплекса проводят при температуре, превосходящей температуру термохимического осаждения из паровой фазы при формировании упомянутого поликристаллического слоя, и при давлении насыщенного пара SiC. 10. Способ получения монокристаллического SiC по п.9, отличающийся тем, что температура термообработки упомянутого комплекса составляет 1900 — 2400oC. 11. Способ получения монокристаллического SiC по п.9, отличающийся тем, что температура термообработки упомянутого комплекса составляет 2000 — 2200oC.

РИСУНКИ

Рисунок 1,Рисунок 2,Рисунок 3

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 21.05.2005

Извещение опубликовано: 27.12.2006 БИ: 36/2006

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКОГО КАРБИДА КРЕМНИЯ (В КУСКЕ)

Технологическая схема процесса современного промышленного производства карбида кремния представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Технологическая схема процесса современного производства карбида кремния

В соответствии с представленной схемой технологического процесса в состав реакционной шихты входят следующие компоненты: кварцевый песок, нефтяной кокс, возвратные материалы (возвратная шихта, аморф, силоксикон и графитированный керновый материал). Все компоненты реакционной шихты перед ее составлением проходят определенную подготовку. Ниже рассматриваются технологические особенности операций подготовки сырьевых материалов.

Подготовка кварцевых песков

Для производства карбида кремния в СНГ используются Орловские обогащенные кварцевые пески, а также пески Глуховецкого и Гу- саровского месторождений. Содержание основного компонента и примесей в песках, лимитируемые соответствующими техническими условиями, приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Химический состав кварцевых песков

Главной задачей стадии подготовки кварцевого песка к процессу получения SiCb является отмывка глинистых примесей, гидроксидов железа и кальцита СаСОз с примесью магнезита MgCO.v Массовая доля суммы СаО + MgO не должна превышать 0,2 %, а АЬОз в обогащенных кварцевых песках Глуховецкого и Гусаровского месторождений должна быть

Схема процесса подготовки кварцевого песка для синтеза SiC приведена на рис. 2.2.

Согласно приведенной схемы кварцевый песок из закрома склада сырья подается грейферным краном 7 в бункер 2, из которого элек- тровибрационным питателем 2, ленточным конвейером 4 и ленточным элеватором 5 поступает в односпиральный классификатор 8 и затем поступает во второй спиральный классификатор 9 и элеватор 10. Затем шнековым транспортером 11 песок подается на два ленточных вакуум-фильтра 12 и 72, работающих с частотой вращения ленты в вакуум-фильгре 10 ч- -г 12 об/ч при вакууме 0,05 ч- 0,09 МПа.

Фильтрат ленточных вакуум-фильтров при помощи вакуумной системы, включающей ресиверы 14, 75, 76, гидравлический затвор 77 и водокольцевые насосы 18 и 19 (тип ВВН — 50), поступает в канализацию.

Из ленточных вакуум-фильтров песок повышенной влажности 15 % влаги) самотёком поступает в бункеры 20 и 2/, а из них элек- тровибрационными питателями 22 и 23 подается в сушильный барабан 24, который отапливается природным газом и вращается с частотой 280 ч- 380 об/ч при расходе газа на горелки 80 ч- 120 м3/ч. Температура в разгрузочной камере составляет 150 °С, а в самом барабане 26 и ленточным элеватором 27 в бункер 28 участка рассева песка с целью получения песка фракций > 3,5 и 3,5 ч- 1,6 мм. Песок последней фракции используется в качестве подсыпки в цехе абразивного инструмента. Из бункера 28 песок подается питателем 29 на грохот 30, оборудованный сетками для получения надсеточного продукта фракции > 6 мм; на средней сетке 6 мм), объединяясь с фракцией

Основные требования к режиму работы оборудования дробления и рассева кварцевого песка:

  • — во фракции 3 мм должно быть 10 % фракции > 6 мм и 35 % фракции
  • — во фракции 1,6 ч- 3,5 мм — 10 % фракции > 3,5 и 40 % фракции

Готовый к использованию в производстве карбида кремния кварцевый песок по своему химическому составу должен отвечать требованиям, показанным в табл. 2.2, а крупность частиц — в пределах 1,0 ч- 10 мм.

Таблица 2.2

Требования к химическому составу кварцевого сырья

Сорт

Назначение

Содержание компонентов, %

SiO,

Fe,0, | ДЬО, | СаО

не менее

не более

Высший

Для производства зеленого карбида кремния высшего качества

99,5

0,1

0,2

0,1

Первый

Для производства зеленого и черного карбида кремния

99,0

0,2

0,3

0,2

Второй

Для производства черного карбида кремния

98,5

0,3

0,5

0,3

C начала 2004 года на рынке кремния наметились странные и противоречивые тенденции. Произошли любопытные события как на нашем внутреннем рынке, так и на рынке мировом.

У нас, в России, весной в производстве кремния и феррокремния (ферросилиция) наметились два противоположных организационных изменения.

К первому апреля «РУСАЛ» наконец-то нашел покупателя на Братский завод ферросплавов (дочку БрАЗа) имеющую мощности около 10 тыс. тонн металлургического кремния и 40 тыс. тонн ферросилиция в год. Названная причина продажи — большая выгодность импорта необходимого для производства кремния в Китае. РУСАЛ сообщает, что осуществляет экспорт китайского кремния уже с 2001 года, поэтому покупателя на это ферросплавное производство искал более полугода.

Другой наш крупнейший холдинг — СУАЛ схожее производство закрывать совсем не планирует. Более того — наращивает его мощности. Так в I квартале 2004 года производство кремния в СУАЛе выросло на + 6,9%.

Крупнейший российский производитель ферросилиция — «Кузнецкие ферросплавы» в апреле приобрела «Юргинские абразивы» и планирует перепрофилировать этот завод именно на производство ферросплавов. Кстати, 12 мая 2004 года решено выплатить дивиденды акционерам «Кузнецких ферросплавов» по итогам прошлого года, что является показателем хорошей рентабельности предприятия.

Похоже, что вопрос «выгодно производить ли в России кремний?» оценивается совсем неоднозначно. Внесла свой «вклад» и ценовая лихорадка этого сектора мирового рынка в 2004 году. Она способна окончательно сбить с ориентиров производителей. Сейчас перспективы мирового рынка кремния и феррокремния стали почти непредсказуемы.

Применения и перспективы

«На слуху» большинства читателей массовых СМИ применение кремния как основы целой гаммы полупроводников — от солнечных батарей до компьютерных процессоров, поэтому этот материал — основа большинства «высоких технологий». Тоннаж мирового производства высокочистого полупроводникового кремния растет уже несколько десятилетий со средними темпами до 20% в год и аналогов среди других редких металлов не имеет. Однако, общее количество производимого в мире высокочистого кремния только недавно превысило 20 тысяч тонн в год. По тоннажу это только 5% мирового производства технического кремния и около 0,2% производства ферросплавов на его основе. Но по общей стоимости эта доля на порядок выше. Подробнее чистом о кремнии для электроники — во врезке к этой статье, а сейчас вернемся к более массовым его применениям.

Опережающими темпами (около 8% прироста в год) растет применение чистого кремния и его соединений в химической промышленности. В последние десятилетия США и другие развитые страны быстро развивают технологии производства гаммы силиконовых (кремнийорганических) материалов, применяемых в производстве пластмасс, лакокрасочной продукции, смазок и т.п.

Однако большая часть применений кремния в мире (почти 80%) остается традиционной — это лигатура при производстве гаммы специальных сталей (электротехнических, жаростойких) и различных сплавов (силумины и т.д.). Значительная часть кремния и его сплавов применяется в черной металлургии, как весьма эффективный раскислитель сталей.

В черной металлургии преимущественно применяются ферросплавы и прочие сплавы кремния. Они дешевле и технологичнее в применении, а содержание железа (а в ряде случаев и алюминия) при этом не столь критично. В состав электротехнических сталей, как правило, входит 3,8-4,2% кремния, поэтому только эти сталелитейные производства в мире потребляют в качестве лигатуры более 0,5 млн. тонн кремния в год. Другое значительное применение феррокремния (включая также силикомарганец и сложные композиции) — это эффективные и сравнительно недорогие раскислители сталей.

В цветной металлургии (и химической промышленности) шире применяется металлический магний. Наибольшее применение он находит в качестве лигатуры упрочненных алюминиевых (силумины) и магниевых сплавов.

Некоторое применение находит кремний (как карбид кремния и сложные композиции) в производстве абразивных и твердосплавных изделий и инструментов.

Мировой рынок

Общее производство кремния и ферросплавов в мире в последние годы растет темпами, опережающими динамику развития как черной, так и цветной металлургии. Соответствующие показатели за 2002/2003 год приведены в Табл.1.

Территориально производства кремния в мире слабее привязаны к источникам сырья, чем у других металлов. Кремний является одним из наиболее распространенных в природе элементов (до 30%) и содержится в большинстве минералов и руд. Необходимые месторождения кварцитов и кварцевых песков есть в очень многих странах мира. Однако, для получения более качественного продукта или для повышения показателей рентабельности, выгоднее использование сырья с максимальным содержанием кремния (вплоть до 99% SiO2). Столь богатые месторождения крайне редки и по всему миру активно и давно используются конкурирующей стекольной промышленностью. Последняя, правда, неохотно перерабатывает сырье даже с минимальным загрязнением железом, но в производстве ферросплавов оно мало критично. В целом по миру обеспеченность кремниевых производств сырьем считается высокой, а соответствующая доля затрат в его себестоимости незначительной (менее 10%).

Основной особенностью этих производств является их крайне высокая энергоемкость (12-18 кВт.час/кг), поэтому среди ведущих мировых производителей кремния долгие годы прежде всего были представлены страны с развитой энергетикой (и недорогой электроэнергией), например маленькие Норвегия и Исландия. Значительны при производстве кремния затраты по топливу (коксу).

В последние десятилетие развитые страны заметно сдают свои позиции в мировом производстве феррокремния/кремния. Показательна при этом ситуация на рынке США, где с 1993 года в отношении России, Украины, Казахстана, Бразилии, Китая и Венесуэлы действовали антидемпинговые пошлины на импорт феррокремния. Суд международной торговли США (US CIT) в 1999 году отменил большинство запретов по этому импорту, однако борьба за американский феррокремний не закончена. Судам и разбирательствам по этому рынку во всем мире не видно конца. Особо жесткой к импорту является позиция ЕС. К примеру с конца 2003 года на металлический кремний действуют пошлины (23,6% — ОАО «Братский аллюминиевый завод», 22,7% — ООО «Суал-Кремний-Урал» и ЗАО «Кремний», 23,6% — остальные компании)

А на американском рынке очередная петиция американской компании Globe Metallurgical Inc. и профсоюзов United Steelworkers Union и International Union of Electronic, Electrical, Salaried, Machine and Furniture Workers, с требованием провести антидемпинговое расследование против импортеров металлического кремния принята к рассмотрению в начале апреля 2004 года.

Пока идут споры, полезно рассмотреть прошедшие изменения ситуации на рынке США, где металлургия кремния многие годы развивалась опережающими темпами (см. Табл.2).

По данным статистики можно констатировать, что сокращение применения кремниевых ферросплавов в черной металлургии США идет много быстрее, чем рост импорта. Связано это с сокращением или стагнацией многих американских сталеплавильных производств, поэтому рынок сбыта для феррокремния США за 5 лет заметно сократился. Пока США (под импортеров) удается удерживать позитивную динамику только для производства металлического кремния, находящего более широкий и наукоемкий спектр применений. Однако рентабельность 4х американских производств кремния сравнительно низка.

На первые позиции этого сектора мирового рынка металлов быстро выходят развивающиеся страны. Ведущие страны феррокремниевого производства это Китай, Россия, Украина, и Бразилия. Даже в производстве металлического кремния — Китай и Бразилия уверенно обогнали Францию, США и Норвегию.

Выделяется и очень агрессивен на мировом рынке Китай. Динамика роста производства кремния и феррокремния в Китае в последнее время превышает +20% год, а страна в целом уже контролирует более 35% мирового рынка этого металла. Причем, коньюктуру этого рынка Китай не просто отслеживает — он активно на нее влияет.

В России в 2003 году было выпущено 760 тыс.тонн феррокремния (108,2% к 2002 году)

Крупнейшим его производителем в стране является ОАО «Кузнецкие ферросплавы» (в 2003 г. — 336,3 тыс. тонн). К примеру, на проданном ферросплавном производстве БрАЗа в 2003 г. было произведено феррокремния в 10 раз меньше.

Несмотря на выгодные цены в I квартале 2004 года российское производство феррокремния составило только 93,1% от аналогичного периода прошлого года. Спад этот, в основном, был обусловлен подорожанием кокса и снижением на 31% производства на ЧЭМК (до уровня 58,9 тыс.т). Другие основные производители феррокремния за квартал заметно увеличили производство: «Кузнецкие ферросплавы» на 12% (до 96,1 тыс.т.), Серовский завод ферросплавов на 27% (до 10,5 тыс.т)

Металлического кремния в России в 2003 г. было произведено около 70 тыс. тонн. При этом на предприятия «СУАЛ-Холдинга» приходится более 70% его отечественного производства (50,9 тыс. тонн в 2003 г.). Производство его на БрАЗе составило менее 8 тыс.тонн. В I квартале 2004 года российское производство кремния выросло на 6,9% и достигло 14 тыс. тонн.

Цены рынка кремния

Динамика мировых цен на феррокремний несколько лет особо не выделялась. Цены плавно росли, чуть подогреваемые растущим спросом. Кремний и феррокремний в Китае был постоянно дешевле, чем у других производителей, особенно в ЕС и США.

Однако в 1 квартале 2004 года на этом рынке последовал настоящий «взрыв» с ростом цен на 35-42% (на феррокремний) и на 22-28% (на металлический кремний). Мощные скачки цен в Китае шли за считанные дни. Причем, в отличие от других ферросплавов, ни дефицита, ни роста цен на кремниевое сырье в мире не наблюдалось. Типовое оправдание, что в начале года из-за дефицита электроэнергии встал ряд китайских ферросплавных заводов, также в объяснение ситуации не годится. Цены полузакрытых рынков США и ЕС «отыграли» синхронно китайским ценам, а это первый признак спекулятивной игры.

Удивительный случай возник в конце марта, когда китайские цены на металл и 75%-ферросплав сравнялись, хотя себестоимость производства чистого металла почти на треть выше (см. Рис.2). А ситуация, когда металл в Китае стоил 105% от ферросплава, продлилась почти до конца мая! Словом на рынке кремния идет мощная торгово-спекулятивная война, причем наибольшие выгоды в ней достаются, конечно, крупнейшему производителю.

Сейчас Китай «обваливает» цены на эту продукцию. К примеру, цены на 75% феррокремний упали на 34% только за 2 недели июня. Так что, примеру «Русала» (по продаже или свертыванию этого производства), вполне могут последовать многие другие производители кремния, как в мире, так и у нас в стране.

Даже под защитой квот и антидемпинговых пошлин (например, в ЕС и США) национальным производителям его совсем не сладко. Мало того, что цены Китая всегда ниже. Сейчас, в конце июня, они (для 75% феррокремния) ниже американских цен более, чем вдвое. При растущей стоимости энергоносителей во всем мире производство кремния и ферросплавов по «китайским ценам» становится просто нерентабельно.

Перспективы и как с ними бороться

Перспективность производства кремния и его сплавов не вызывает никаких сомнений. Феррокремний является самым крупнотоннажным и выгодным ферросплавом, а спектр применений металлического кремния растет год за годом. Здесь уверенно проглядывается сверхвысокий передел, поскольку этот металл — основа целых направлений «high-tech» для ХХI века и далее.

За такие перспективы вполне стоит бороться. Китайский дракон на мировом рынке кремния не только проснуляся, но и «показывает зубы». Раскачка рынка и демпинг — налицо, поскольку энергоемкое производство феррокремния и кремния никаких экономических преимуществ в Китае не имеет.

Монополизацию со стороны Китая рынок металлов уже получил в части вольфрама (производства твердых сплавов и т.д.) и редкоземельных металлов (супермагниты, редкое легирование и т.д.). На этих рынках Китай исходно имел существенное преимущество по рудным запасам, а сейчас осваивает их высокий передел и выпуск конечной продукции. Конкурирующие производства в мире сворачиваются если не ежемесячно, то ежегодно. Самые «дальновидные» — переносят производство в Китай.

В части цветных металлов следующий этап китайской экспансии на мировой рынок специалисты прогнозируют по алюминию, магнию, кремнию (аэрокосмические отрасли, электроника и т.д.). В части черных металлов его влияние и на мировой рынок также уже более чем заметно.

Оценивать принципы, по которым Китай «продвигает» свою металлургию — не предмет этой статьи. Отметим, что они далеко не всегда рыночные.

Вопрос заключается в том, как быть российскому производству кремния и ферросплавов?

Ответ — развиваться! Россия имеет неплохие конкурентные преимущества по сырью, отличные — по энергоносителям. Важно только, чтобы в переговорах с ВТО, Евросоюзом и прочими их потребителями, мы наши преимущества сохранили. Нам, как северной стране с холодным климатом, жизненно необходима недорогая энергия (электричество, нефть, уголь) Иначе — никаких перспектив! Все будет продано на уровне сырья, а о российской индустрии (переработке и высоких технологиях) можно будет забыть. С демпингом надо уверенно (как и другие страны) бороться. Тем более по очень перспективному кремнию!

Электронное будущее кремния
Современные и перспективные информационные технологии (компьютеры, электроника, телекоммуникации и т.д.) базируются и будут базироваться на применении полупроводникового кремния. Другие более новые полупроводники (арсенид галлия, фосфид индия и т.д.) или давно используемые (германий, селен) составят минимальную долю этого рынка еще многие десятилетия. После некоторого спада в 2001 году мировой рынок полупроводникового кремния вновь растет впечатляющими темпами (+14% в 2002 году, +16% в 2003 году, достигнув объема более 24 тыс.т в год, при ценах в 20 раз выше, чем у металлургического кремния.

Знакомый металлургам технически чистый кремний (до 98,5% Si), чаще получаемый восстановлением кремнезема коксом в дуговых электропечах, для нужд электронной промышленности совершенно не годится Очистка кремния до 99,99% и далее идет через сложные и наукоемкие технологии, например, производства, очистки и восстановления тетрахлорида кремния, далее- через зонную очищающую переплавку слитков металла или выращиванием кристаллов. Именно на этих этапах образуется добавленная стоимость кремния высокой чистоты, выше металлургической на 1-2 порядка. Широкое применение в мировой электронике находит чистый поликристаллический кремний и много реже — монокристаллы кремния. При этом материалы для полупроводников составляют около 75% этого рынка, а материалы для солнечных батарей около 20%.

Наиболее востребованы сейчас полуфабрикаты — прецизионные (шлифованные) кремниевые пластины диаметром до 300 мм на базе которых создаются самые современные микросхемы (размер элементов до 0,065 мкм). Только в 2003 году в мире введено 5 новых таких производств.

Более 90% мирового рынка поликристаллического кремния контролируют 10 крупнейших компаний из США, Японии, ФРГ и Италии. Отметим, что география их производственных мощностей гораздо шире и уже достигла Китая. По объемам выпуска лидируют Hemlock Semiconducror, Tokuyama, Waker Sitronics, ASiMI, Mitsubishi Materials Polysilicon и MEMC. Новые игроки на этом рынке появляются редко (американская SGS -с 2002 года). Причина этого не только в большом стартовом объеме инвестиций (в SGS более $1млрд), но прежде всего в том, что постоянно устаревает «know-how» выпуска современной и конкурентоспособной продукции. Та же SGS — дочка ASiMI» (США) и «Silicon Technology» (Норвегия).

Вернемся к российской ситуации по производству полупроводникового кремния.

К своему распаду СССР выпускал около 12% мирового производства поликристаллического кремния, что составляло около 1150 т в год. После распада страны, большая часть его производства осталась в Украине (Запорожский титано-магниевый комбинат), часть — в Киргизии (завод «Кристалл»). Российские производства — Подольский химико-металлургический завод и Красноярский завод цветных металлов в общей сложности имели около 25% былых мощностей. Однако и они тогда пережили мощнейший кризис, как в части сырья, так и сбыта своей продукции.

На подмосковном ПХМЗ, к примеру, объем производства по монокристаллическому кремнию упал до 15-25%, по поликристаллическому — до нуля! Завод в 90е годы «выручили» иностранные партнеры, обеспечив его давальческим сырьем и проторив дорожку для экспорта 90% продукции. Однако только сейчас, в ограниченном сортаменте, ПХМЗ восстанавливает выпуск продукции на уровне 15-летней давности. Причина — неблагоприятные условия производства (тарафы на электроэнергию и т.д.) и отсутствие заметных инвестиций на модернизацию производств

Любопытнее ситуация с кремнием в Красноярском крае. Там реализуется проект века — программа «Кремний России», который будет производится в ранее закрытом Красноярске-17 на Красноярском горно-химическом комбинате (КГХК). Многие годы там идет строительства завода поликристаллического кремния. Далее планируется организовать производство монокристаллического кремния и кремниевых пластин. Неоднократно сообщалось, что общая мощность по кремнию составит 3000 тонн в год (что выведет это производство на 4-5е место в мире). Директор производства Василий Жидков сообщал в мае 2003 года, что завершение строительства будет в 2004 году. Однако позже, в письме начальника Департамента конверсии атомной промышленности господина А.Н.Антонова сообщалось «…в г. Железногорске Красноярского края в составе ФГУП «Горно-химический комбинат» строится завод полупроводникового кремния (ЗПК), из состава которого выделен первый пусковой комплекс с вводом в эксплуатацию в первой половине 2005 года объемом производства поликристаллического кремния до 200 тн/год с последующим развитием этого производства до 500 тн/год».

Какова же, собственно, мощность этого производства и есть ли его полный проект? А деньги на него?

Отметим, что само-собой подразумевается, что квалификация в металлургии кремния ученых и инженеров-атомщиков Красноярска вполне достаточна, а будущая продукция ГМК — будет конкурентоспособна. Мы понимаем, что с ГХК снят оборонный госзаказ по оружейному плутонию, и что коллективу очень нужна загрузка. Злословить в этой ситуации никак не хочется, но закрытость проекта и отсутствие серьезных партнеров очень тревожат. При огромном количестве разговоров и рекламы у Минатома России за 10 лет нет реализованных проектов по конверсии схожих производств.

А вот проваленных проектов — более чем достаточно. Можно например вспомнить «Балтийскую кремниевую долину» в г.Сосновый Бор (мощностью 20 тыс.т. кремния в год), получившую в 1998 году одобрение РАН и многих других. Финансировать этот проект, помнится, должен был арабский Оман.

Впрчем хватит о «проектах века». Нам по душе, скорее » оживление» реального производства ПХМЗ, чем очередное многолетнее и дорогостоящее строительство. Даже элементарная, но непредвзятая экспертиза суперпроектов показывает их полную несостоятельность. Для них государство и местные власти абсолютно теряют механизм контроля своих инвестиций, а мы, потребители, не находим и следов казенных средств.

Статья опубликована в журнале
«Металлургический бюллетень»