Если предложенную Кристианом Томсеном в 1836 году периодизацию истории по металлам распространить на все остальные материалы, то эпоху, начавшуюся в 1954 году, когда Texas Instruments выпустила первый кремниевый транзистор, или в 1971 году, когда Intel выпустила первый универсальный микропроцессор, следовало бы назвать Кремниевым веком. Такое развитие событий было неожиданным; к счастью, материал, о котором идет речь, присутствует в огромных количествах в земной коре, где он повсеместно встречается в составе кремнезема (SiO2 ). Используют кремний уже давно: в виде кварцевого песка он является основным сырьем в стекольном производстве, составляя до 70% исходного материала (остальная доля поделена примерно поровну между кальцинированной содой Na2 CO3 или K2 CO3 и CaCO3 или Pb, используемом в тяжелом свинцовом стекле). В 1900 году никто бы не смог предсказать, что SiO2 — самый распространенный из поверхностных минералов — станет важнейшим материалом новой электронной эпохи. Этим элементом уже десятки лет пользовались металлурги, прежде всего в составе ферросилиция (15–90% Si), используемого в качестве раскисляющей добавки. На этот рынок приходится до 80% всего ежегодного мирового производства кремния, которое превысило 1 Мт в конце 50-х гг., 2 Мт к 1975 году, достигло 3,5 Мт в 2000 году и 8 Мт в 2011 (USGS, 2013). Крупнейшим производителем как ферросилиция (5,4 Мт в 2011 году), так и металлического кремния является Китай. Основными статьями расхода металлического кремния (поликристаллического кремния) являются производство алюминиевых сплавов и химический синтез, прежде всего изготовление силиконов — высокомолекулярных кремнийорганических полимеров общей формулой [R2 SiO]n, где R - метильная, этильная или фенильная группа. Их промышленное производство началось в 40-х гг.; из силиконов производят отличную смазку и синтетические смолы, а также изоляционные и водоотталкивающие материалы. Сырья для получения кремния предостаточно, однако 99%-й чистоты этого элемента можно достичь только энергоемким высокотемпературным процессом раскисления углеродом: SiO2 + 2C → Si + 2CO (путем применения графитовых электродов в электропечах). Однако даже 99%-й чистоты недостаточно для производства электроники и солнечных батарей, поэтому кремний металлургической марки проходит сложную и дорогостоящую обработку, которая многократно повышает его чистоту, обеспечивая соответствие техническим условиям производства полупроводников, солнечных батарей и оптоволокна (Föll, 2000). Фотоэлементы (ФЭ) изготавливают из поликремния «солнечной марки» с чистотой 99,9999–99,999999% (6–8 N), а вот уровень чистоты кремния, используемого в электронной промышленности для изготовления полупроводниковых пластин — микрочипов, составляет уже 9–11 N, то есть 99,999999999%. Производство «электронного» кремния из металлургического начинается с каталитического получения трихлорсилана (Si + 3HCl → SiHCl3 + H2 ), разработанного компанией Siemens в 60-е гг. (McWhan, 2012). Затем трихлорсилан разлагают водородом (SiHCl3 + H2 → H2 + Si), одновременно добавляя малые количества примесей (активаторов), которые своим присутствием повышают проводимость элемента. Эта фаза весьма сложна, так как распространенные активаторы (AsH3 и PH3 ) весьма токсичны, H2 и SiHCl3 легко воспламеняются, а пары HCl обладают высокой коррозионной активностью. По окончании этой фазы высокочистый поликристаллический кремний преобразуется в кристалл, который можно нарезать на тонкие пластины (Duffar, 2010). Начало этой технологии положило случайное открытие, сделанное работавшим в Берлине польским химиком Яном Чохральским в 1916 году. Он опустил свой карандаш в небольшой тигель с расплавленным оловом и вытянул длинную тонкую нить металла, которая оказалась монокристаллом. Чохральский, с помощью затравочного кристалла вытягивая расплавленный металл из расплава, одновременно осуществляя медленное вращение и постепенно понижая температуру, мог изготавливать кристаллы из олова, свинца и цинка с диаметром в несколько миллиметров и длиной до 1,5 см (Czochralski, 1918). Три десятилетия этой техникой пользовались разве что для изучения роста металлических кристаллов, однако с изобретением транзисторов она стала кандидатом на применение в производстве кристаллов из полупроводниковых материалов. Первым таким материалом стал не кремний, а германий; в 1948 году Гордон К. Тил и Дж.Б. Литтл, сотрудники Bell Labs, с помощью метода Чохральского впервые в мире получили кристаллы из чистого германия. К 1950 году, вскоре после появления первых транзисторов на основе Si, Тил и Эрнест Бюлер научились выращивать кристаллы из чистого кремния, а к 1956 году улучшили свои методы вытягивания и легирования кристаллов настолько, что их самый большой кристалл был в восемь раз тяжелее и в два раза шире в диаметре (2,5 см), чем их первые изделия (Buehler и Teal, 1956). А техники выращивания все совершенствовались и совершенствовались: кристалл диаметром 7,5 см и массой 12 кг был получен к 1973 году, в 1980 году уже выращивались 14-килограммовые 10-сантиметровые кристаллы, а к 2000 году диаметр крупнейших кристаллов составлял уже 30 см, масса — 200 кг (Hahn, 2001; Zulehner, 2003). В следующем поколении удалось достичь диаметра 45 см и массы 1000 кг, однако этот процесс все еще находится на стадии разработки: Intel показала свою первую полноструктурированную пластину в январе 2013 года, а запустить производство планируется в 2015 году. В отличие от темно-коричневого порошкообразного аморфного кремния, кристаллы либо черного, либо черно-серого цвета блестят, а примеси составляют менее одной части на миллиард. Эти идеальные кристаллы нарезают на слои толщиной около 1 мм (при этом отклонение от идеальной плоскости не превышает 1 мкм); полированные пластины затем отправляются на заключительные этапы производства микропроцессоров (Intel, 2011). Уильям (Williams, 2003) проанализировал цепь производства кремния в 1998 году, Такигуци и Морита (Takiguchi и Morita, 2011) реконструировали мировые потоки кремния, использованного в производстве электроники, за период с 1997 по 2009 год. В 2009 году очисткой кремния металлургической марки сименсовским процессом было получено порядка 23 тысяч тонн электронного кремния, из которого изготовили 16,1 тысячи тонн монокристаллического кремния, ушедшего на производство 7500 тонн пластин, из которых изготавливают микрочипы. К 2012 году масса поликристаллического кремния электронного качества составила около 28 тысяч тонн. Одним из основных факторов прогресса в вычислительных технологиях стала возможность наносить на одну пластину все больше и больше транзисторов — процесс, подчиняющийся широко известному закону Мура. В 1964 году на микрочипе удалось уместить 32 транзистора, а в 1965 — уже 64; тогда Гордон Мур предсказал, что такое ежегодное удвоение будет наблюдаться и дальше, и в 1975 году появится чип с 65 тысячами транзисторов. В 1975 году он внес в свой ставший уже знаменитым закон небольшую поправку, указывая на удвоение каждые два года (Moore, 1975). Именно такие темпы и наблюдаются с той поры по мере прогресса в отрасли производства чипов; Intel представляет новаторские конструкции, конкуренты тоже вносят свой вклад в развитие технологий, продавая все более сложные микросхемы. Первый в мире универсальный микропроцессор Intel 4004 был выпущен в ноябре 1971 года; на нем располагалось 2250 металлооксидных полупроводниковых транзисторов, а по вычислительной скорости он равнялся построенному в 1945 году компьютеру ЭНИАК, который занимал целую комнату (Intel, 2013). В 1979 году компания выпустила процессор 8088, на котором располагалось уже 29 тысяч транзисторов, а вскоре от широкомасштабной интеграции (до 100 тысяч транзисторов на микрочип) перешла к очень широкомасштабной интеграции (до 10 миллионов транзисторов), а затем, к 1990 году — к ультраширокомасштабной (до миллиарда транзисторов). К 2000 году компания уже размещала на своих процессорах до 42 миллионов транзисторов (Pentium 4), а в 2012 году начала выпуск сопроцессоров Xeon Phi с 5 миллиардами транзисторов (Intel, 2012). Массовое применение все более мощных микропроцессоров в сочетании с все более объемными устройствами хранения данных сказалось на всех без исключения отраслях современной экономики, предоставив невиданные ранее возможности обмена данными, управления процессами, хранения и поиска информации. Неудивительно, что весь процесс превращения кварца в субстрат для микропроцессоров считается одним из лучших примеров наращивания добавленной стоимости в ходе производственного цикла. В подробном анализе Джексона (Jackson, 1996) и Уильямса (Williams, 2003) показано, что к концу ХХ века чистый кварц продавался оптом по цене менее 0,02 долл. за кг, металлургический кремний — за 1,10 долл./кг, трихлорсилан стоил порядка 3 долл./кг, поликристаллический кремний — от 50 до 100 долл./кг, монокристаллический — не менее 500 долл./кг, полированные кремниевые пластины — от 1500 долларов за килограмм, а цена эпитаксиальных фрагментов достигала 14 тысяч долларов за кг. К 2012 году поликристаллический кремний электронного качества продавался примерно за 50 долл./кг, то есть 28 тысяч тонн стоили около 1,4 миллиарда долларов. Поставки пластин под полупроводники выросли с примерно 3,5 миллиона м2 в 2000 году до 5,9 миллиона м2 в 2010 и 5,7 миллиона м2 в 2012 (SEMI, 2013). Если посмотреть на мировую статистику, то видно, что суммарная стоимость поставленных пластин составляла менее 4 млрд долларов в 1977 году (самый ранний год, по которому удалось собрать данные по мировым поставкам), возросла до 50 млрд к 1990 году, превысила 200 млрд в 2000 году и достигла 292 млрд в 2012 (SIA, 2013). В течение первого десятилетия XXI века производители электроники перестали быть крупнейшим потребителем высококачественного кремния, так как теперь этот материал большей частью идет на фотоэлементы. ФЭ из кремния появились почти так же давно, как и транзисторы. Bell Labs получила первый прототип в 1954 году, а в 1958 Vanguard I стал первым спутником, работавшим на солнечной электроэнергии; батарея площадью 100 см2 генерировала всего 0,1 Вт, чего было более чем достаточно, чтобы питать передатчик мощностью 5 мВт. В 1962 году был запущен Telstar — первый коммерческий телекоммуникационный спутник; его фотоэлементы генерировали уже 14 Вт энергии; в 1964 году появился Nimbus — метеорологический спутник, потреблявший 470 Вт. Прошло полвека, и теперь сотни работающих на солнечных батареях спутников окружают планету Земля и используются для погодного и геологического мониторинга, связи и даже шпионажа; последний спутник, предназначенный для наблюдения Земли — запущенный в феврале 2013 года Landsat 8 — оснащен четырьмя рядами высокоэффективных фотоэлементов, генерирующих 3750 Вт (EMCORE, 2013). Наземное применение ФЭ началось с менее дорогих (но все равно весьма недешевых) батарей из аморфного кремния в 1976 году; к 2012 году коэффициент преобразования энергии достиг 20% у тонких пленок в лабораторных условиях, у белых кристаллических батарей — 25%, у лучших моделей в открытой продаже — 19–22% (NREL, 2013; Solarplaza, 2013). В течение многих десятилетий фотоэлементы изготавливались из низкосортного поликристаллического материала, непригодного для нужд электроники; однако благодаря значительному субсидированию использования ФЭ их доля в производстве электроэнергии выросла со 100 МВт/год в 1995 году до более 10 ГВт/г в 2009 — так производители солнечных батарей стали нуждаться во все больших количествах чистого поликристаллического Si. В 1997 году ими было израсходовано всего 800 тонн такого кремния, в 2009 потребовалось уже 69,1 тонны — в три раза больше, чем ушло на производство электроники — из которых сделали порядка 44,5 тысячи тонн солнечных батарей, преимущественно изготавливаемых литьем поликристаллического металла (Takiguchi и Morita, 2011).
Создание современного мира. Материалы и дематериализация. Глава 3.