Производство полупроводников критически зависит от гелия

В сложных полупроводниковых изделиях на кремниевом чипе размером с ноготь может быть вытравлено более миллиарда транзисторов. Достижение такой сложности требует множества этапов в производственной линии для точного контроля процессов на атомном уровне на пластинах, диаметр которых может достигать 30 сантиметров.

В процессе производства полупроводников необходимо множество химических веществ и газов. Гелий — одно из них, благодаря своим криогенным свойствам, исключительной теплопроводности, химической инертности, малому размеру и высокой диффузионной способности, и не имеет прямых заменителей. Он используется на протяжении всего производственного процесса и необходим для работы производственных предприятий. Согласно прогнозу IDTechEx, представленному в отчете «Гелий для полупроводников и не только 2025-2035: рынок, тенденции и прогнозы», спрос на гелий в производстве полупроводников к 2035 году увеличится более чем в пять раз.

Например, на производственной линии гелий необходим в качестве газа-носителя для процессов осаждения, в качестве разбавителя при плазменном травлении и для охлаждения пластин с целью минимизации деформации под воздействием термических напряжений. Он необходим для литографии в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне (EUV) при изготовлении микросхем размером менее 5 нм, что критически важно для приложений искусственного интеллекта, а также для охлаждения пластин и оснастки. Кроме того, в процессе заводских операций он также используется для проверки герметичности и безопасности трубопроводов и оборудования, а также для создания сверхчистой атмосферы в производственных процессах.

Почему Катар играет такую ​​важную роль в торговле гелием?

В мировом масштабе известные запасы гелия сосредоточены в основном в Катаре, США, Алжире, России, Канаде и Китае, при этом Катар обладает крупнейшими запасами (>10 миллиардов м³). Катар является крупным поставщиком, наряду с США и Россией, и вторым по величине производителем, поставляя более трети мирового гелия.

Способ производства гелия также имеет важное значение, поскольку обычно его получают в качестве побочного продукта переработки природного газа, где гелий присутствует в очень малых количествах (как правило, от 0,3% до 0,5%, в зависимости от запасов). Отделение гелия от природного газа требует ряда процессов, включая криогенную сепарацию для разделения азота и гелия, мембранную и адсорбцию с изменением давления (PSA), а также последующее криогенное сжижение для транспортировки. Все это требует больших капиталовложений, поэтому производство гелия имеет смысл только в том случае, если установки перерабатывают огромные объемы природного газа. Именно поэтому завод в Рас-Лаффане в Катаре так важен из-за масштабов своей деятельности.

Катар и Россия также являются ключевыми игроками, поскольку обе страны сосредоточились на расширении производства гелия, и поскольку завод в Рас-Лаффане в Катаре был закрыт, это уже влияет на цены и поставки гелия. Даже если предприятия возобновят работу сейчас (пусть даже частично), возникнет задержка, последствия которой будут ощущаться по всей цепочке создания стоимости.

Что это означает для полупроводниковой промышленности?

Во-первых, в обычных условиях гелий — это газ, который быстро портится, и, по данным отраслевых экспертов, утечки из контейнеров для хранения гелия составляют примерно 1% в день. Это значительно затрудняет хранение и поддержание значительных запасов. Фактически, именно для этой цели его используют для проверки герметичности. Это означает, что предприятия по производству полупроводников зависят от стабильных поставок. Перебои в поставках могут замедлить производство, а значительные задержки в крайних случаях могут привести к остановке работы предприятий.

Заводы, подобные TSMC, обычно поддерживают запасы на несколько месяцев и используют системы рециркуляции гелия, но то, смогут ли заводы пережить этот кризис, будет полностью зависеть от продолжительности перебоев. Если он продлится несколько месяцев, это будет иметь огромные последствия для полупроводниковой промышленности, особенно с учетом растущего спроса на все более сложные чипы для ИИ и высокопроизводительных вычислений, требующие техпроцесса менее 5 нм.

Кроме того, важно учитывать регионы, где расположены гиганты полупроводниковой промышленности. Страны, диверсифицировавшие свои поставки гелия, также находятся в более выгодном положении. Например, Тайвань, по сообщениям, получает примерно две трети своего гелия из Катара и США, а остальная часть — из других источников. С другой стороны, по прогнозам, Южная Корея будет получать около 65% своего гелия из Катара в 2025 году, что делает местных производителей полупроводников уязвимыми для проблем с цепочками поставок. В результате такие компании, как Samsung и SK Hynix, по сообщениям, заключили долгосрочные соглашения о поставках с такими компаниями, как Linde и Air Products, которые получают значительную часть своего гелия из США.

Существуют ли альтернативные способы получения гелия?

Хотя основным методом производства гелия является его получение в качестве побочного продукта при добыче природного газа, в таких странах, как США и Канада, существуют геологические зоны, где запасы могут содержать концентрацию гелия от 0,3% до 10%. Это открывает возможности для небольших компаний выйти на этот рынок. IDTechEx сообщает, что недорогие системы разделения, такие как мембранные и PSA-технологии, могут использоваться для повышения качества и очистки гелия, получаемого из этих источников, и что игроки рынка внедряют PSA-, мембранные или гибридные PSA + мембранные системы в зависимости от цели разделения. Основываясь на информации, полученной в ходе интервью с ключевыми разработчиками технологий, такими как Generon и UGS, отчет IDTechEx предоставляет всесторонний анализ рынка этих технологий, включая сравнение продуктов и тематические исследования.

Перспективы IDTechEx

Если эти проблемы сохранятся, мы можем увидеть более широкое внедрение мер по экономии или переработке гелия в полупроводниковом производстве. Действительно, одним из главных успехов стало использование гелия в магнитно-резонансных томографах (МРТ), где современные системы МРТ претерпели технологические усовершенствования и внедрили замкнутые системы рециркуляции гелия, что позволяет избежать необходимости его повторной заправки.

Тем не менее, помимо нынешнего кризиса, за последние двадцать лет было четыре значительных дефицита гелия, повлиявших на доступность гелия на рынке и цены на него. Поэтому отрасли, критически зависящие от гелия, как правило, имеют планы действий на случай непредвиденных обстоятельств, такие как диверсификация источников поставок, чтобы защитить себя от краткосрочных сбоев. Однако способность таких отраслей, как производство полупроводников, пережить кризис будет полностью зависеть от продолжительности сбоев. Постоянная волатильность рынка может привести к тому, что отрасли будут все больше диверсифицировать свои цепочки поставок гелия, чтобы уменьшить зависимость от какой-либо одной страны, приняв более сбалансированный подход, включающий Катар, Россию и Соединенные Штаты.

Автор: д-р Шабаба Селим, старший технологический аналитик IDTechEx