Импортозамещение в микроэлектронике: роль высокочистых соединений лантана и церия
Церий: полировка, без которой нет чипов
Оксид церия (CeO₂)— рабочая лошадка химико-механической планаризации (CMP). Это процесс, при котором поверхность кремниевой пластины выравнивается до шероховатости в единицы нанометров перед нанесением каждого следующего слоя. Без CMP невозможно построить современную многослойную структуру чипа — слои просто не «лягут» друг на друга с нужной точностью.
По данным рыночных исследований, мировой рынок полупроводникового оксида церия оценивался в 2025 году примерно в208 миллионов долларов, а к 2032 году вырастетдо 355 миллионовпри среднегодовом темпе около 7,4%. Цифры кажутся скромными, но за ними стоит критическая зависимость: каждая фабрика, производящая логические чипы или память, потребляет высокочистый CeO₂ тоннами. В 2025 году мировое производство полупроводникового оксида церия оценивалось в 65 тысяч тонн.
Академик РАН Владимир Иванов в интервью для РАН сформулировал это предельно жёстко: «Не будет такой полировальной смеси, не будет и производства чипов». И это не преувеличение. Оксид церия сочетает механическую абразивность с химической активностью, что позволяет удалять материал эффективно, но без глубоких царапин. Для CMP это идеальное сочетание.
Проблема импортозамещения здесь не в добыче церия. Россия обладает значительными запасами редкоземельного сырья. Проблема в переделе. Чтобы оксид церия стал пригодным для CMP, он должен пройти через стадии тонкого помола, классификации по размеру частиц, поверхностной модификации и приготовления стабильной суспензии с контролируемым pH. Каждая из этих стадий требует оборудования и ноу-хау, которые в советское время существовали, но за последние тридцать лет были утрачены или деградировали.
Лантан: диэлектрик для транзисторов на 2 нм
Если церий работает «снаружи» чипа, полируя подложку, то лантан интегрируется в саму структуру транзистора. По мере перехода к техпроцессам ниже 2 нм традиционный диэлектрик на основе диоксида кремния и даже диоксида гафния перестаёт справляться с требованиями по эквивалентной толщине оксида (EOT), утечкам и надёжности.
Решение пришло со стороны редкоземельных оксидов. La₂O₃ и Y₂O₃ обладают высокой диэлектрической проницаемостью и широкой запрещённой зоной, что делает их перспективными для высоко-k затворных диэлектриков в логических и запоминающих устройствах. Исследования показывают, что введение лантана на границе high-k/SiO₂ создаёт дипольный слой, который модулирует эффективную работу выхода затвора — критически важный параметр для NMOS-транзисторов.
Более того, La₂O₃ способен «улавливать» кислород из интерфейсного оксида, снижая EOT и одновременно улучшая характеристики пробоя и надёжность при стресс-тестировании. Это тот редкий случай, когда добавка улучшает сразу и производительность, и долговечность.
Технология осаждения таких плёнок — атомно-слойное осаждение (ALD). Оно позволяет контролировать толщину с точностью до атомного слоя, но предъявляет экстремальные требования к прекурсорам. Лантан-содержащие прекурсоры, например трис(циклопентадиенил)лантан (LaCp₃), чрезвычайно чувствительны к воздуху и влаге: при экспозиции на воздухе они начинают деградировать уже через пять минут. Это означает, что синтез, очистка, хранение и транспортировка прекурсоров требуют безкислородной и безводной среды на всех этапах.
Церий— самый доступный и распространённый редкоземельный элемент. Его доля в мировом потреблении РЗЭ превышает 50%. Но доступность сырья не означает доступность готового продукта нужного качества.
- Ключевая проблема — отсутствие полной технологической цепочки. Добыча руды — это только первый шаг. Далее идут разделение редкоземельных элементов, получение оксидов высокой чистоты (99,99% и выше), тонкий помол до нанометрового размера, классификация, поверхностная обработка и приготовление суспензий с воспроизводимыми характеристиками. Каждый передел требует специализированного оборудования и, что важнее, накопленного опыта.
- Второй барьер — квалификация у потребителя. Даже если российский производитель получит оксид церия с нужными параметрами, фабрика, выпускающая чипы, не сможет сразу перейти на него. CMP-процессы настраиваются под конкретную марку суспензии, и смена поставщика требует месяцев тестирования и валидации. Это создаёт инерцию, которая работает против новых игроков.
- Третий фактор — глобальная асимметрия. Азиатско-Тихоокеанский регион, прежде всего Китай, сохраняет наиболее интегрированную комбинацию добычи редкоземельных элементов, производства суспензий и полупроводникового производства. Даже страны, активно инвестирующие в собственные фабрики, остаются зависимыми от азиатских промежуточных материалов. Как отмечают аналитики, «расширение добычи без разделения и обработки под конкретные марки мало что даёт для обеспечения потребностей CMP».
Импортозамещение в микроэлектронике — это не только создание собственных литографов или освоение техпроцесса. Это ещё и способность производить «расходные материалы» — прекурсоры, суспензии, газы — с чистотой и воспроизводимостью, которые требует современное производство. Церий и лантан здесь оказываются в одной лодке с фоторезистами и особо чистыми реактивами: без них фабрика не работает, но их производство не выглядит «прорывным» и редко попадает в новости. А зря. Именно на этом уровне решается, будет ли чип вообще.
Мини-опрос: «РЗЭ в микроэлектронике: проверьте себя»
Вопросы и ответы
Оксид церия используется как абразив в химико-механической планаризации (CMP) — процессе выравнивания поверхности кремниевых пластин перед нанесением каждого следующего слоя. Без CMP невозможно построить многослойную структуру современного чипа.
Оксид лантана (La₂O₃) применяется как высоко-k диэлектрик в затворных стеках транзисторов на техпроцессах ниже 2 нм. Он модулирует работу выхода затвора и снижает эквивалентную толщину оксида.
Лантан-содержащие прекурсоры для ALD, например LaCp₃,extremely чувствительны к кислороду и влаге. При контакте с воздухом они деградируют за минуты, поэтому весь цикл — синтез, очистка, хранение, транспортировка — должен проходить в инертной среде.
Дело не в добыче сырья, а в переделе. Нужны технологии тонкого помола, классификации, поверхностной модификации и приготовления стабильных суспензий с воспроизводимыми параметрами. Эти компетенции в значительной степени утрачены.
Мировой рынок оценивался в 208 млн долларов в 2025 году с прогнозом роста до 355 млн к 2032 году. Мировое производство в 2025 году — около 65 тысяч тонн
Полноценной замены нет. Оксид церия сочетает механическую абразивность с химической активностью, что обеспечивает эффективное удаление материала без глубоких дефектов. Альтернативы существуют, но уступают по совокупности характеристик.
Потому что потребитель — фабрика по производству чипов — настраивает процесс под конкретную марку суспензии. Смена поставщика требует месяцев валидации. Даже при наличии отечественного продукта его внедрение упирается в инерцию производственных процессов.
Иттрий (диэлектрики, люминофоры), гадолиний (RRAM, нейроморфные системы), европий и тербий (люминофоры), эрбий (оптоэлектроника). Лантан и церий — лишь верхушка айсберга
Критически. Высокочистые соединения для микроэлектроники в значительной степени импортируются. Собственное производство ограничено стадиями добычи и первичной переработки, тогда как финишные переделы требуют развития.
Атомно-слойное осаждение позволяет контролировать толщину плёнки с точностью до одного атомного слоя и обеспечивает равномерное покрытие сложных структур. Это критично для транзисторов на 2 нм и ниже.
