журналы подразделения новости подписка контакты home

архив
2001 год
2002 год
2003 год
2004 год
рубрики
ТЕМА НОМЕРА

СТРАТЕГИИ

КОМПАНИИ И РЫНКИ

ОТРАСЛЬ

РЫНОК ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ

РЫНОК ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

ТЕХНОЛОГИИ

АРХИВ

ЦЕНОВАЯ ИНФОРМАЦИЯ

гостям
Агентство "Стандарт" предлагает вам подписаться на экномические журналы – лидеры в своей области.
























"Металлы мира" – №12, 2002

ТЕХНОЛОГИИ

Технология на грани

Соединения гафния обещают прорыв в область нанотехнологий

Наиболее известная сфера применения гафния – ядерная энергетика. Однако реально самый крупный потребитель этого металла – сектор производства авиационных суперсплавов, а быстрый прогресс в высокотехнологичных отраслях открывает все новые сферы для его использования. Обнаружено, например, что оксид гафния – перспективный материал с высокой диэлектрической проницаемостью для нанотехнологий "гэйт-стэк", дающих возможность размещать сверхмалые элементы электронных схем на микрорасстояниях друг от друга и многократно повышать производительность компьютерной техники. Метод осаждения атомарных слоев позволяет получать на кремниевой подложке многослойную пленку диоксида гафния – оксида алюминия, идеально подходящую для изолирования мини-деталей схем друг от друга. При современных тенденциях к миниатюризации такой прогресс обеспечивает гафнию прочные позиции в секторе высоких технологий.

Гафний – пластичный термостойкий металл, который легко сплавляется с другими металлами, в частности, с железом, титаном, ниобием и танталом. Карбид гафния – наиболее термостойкая из известных бинарных композиций, а его нитрид – самый термостойкий из всех известных нитридов металлов (точка плавления 3310°C). Гафний устойчив в концентрированных щелочах, но при повышенных температурах вступает в реакцию с кислородом, азотом, углеродом, бором, серой и кремнием. Поскольку этот элемент отличается не только большим сечением захвата тепловых нейтронов (почти в 600 раз большим, чем у циркония), но и прекрасными механическими характеристиками, наряду с высокой коррозионной стойкостью, его используют для производства контрольных стержней ядерных реакторов. Другие традиционные сферы применения – газонаполненные лампы и лампы накаливания. Кроме того, этот металл представляет собой эффективный газопоглотитель для улавливания кислорода и азота. Однако наиболее широко гафний используется в производстве суперсплавов.

Физико-механические характеристики гафния идеально подходят для использования его в качестве связующего вольфрамовых сплавов – более высокая плотность обеспечивает этому металлу безусловное преимущество перед альтернативным титаном. Тем не менее, в этой области существуют определенные проблемы. Во-первых, высокодисперсный гафниевый порошок весьма трудно получать. Во-вторых, обработку сплавов проводят в твердом состоянии, а при такой обработке в системе W-Hf формируется неподходящая микроструктура – вольфрам окружает гафний, а не наоборот. Тем не менее, установлено, что подобные проблемы можно исключить при использовании микрокапсулированного порошка. При этом, технологи западных фирм проводят интенсивные исследования, результаты которых обеспечат гафнию более широкие сферы применения. Следует ожидать, что его использование в секторе производства суперсплавов будет расширяться.

Кроме того, сравнительно недавно для оксида гафния открылись совершенно новые перспективы в сфере высоких технологий. Разработка надежных и экономически эффективных пленочных диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k) – ключ к успеху технологии чипов следующего поколения, и производители полупроводников интенсивно исследуют high-k - материалы для замены диоксида кремния, отличающегося слишком высоким для нанометровых процессов током утечки.

В 2000 году одна из крупнейших исследовательских организаций мира Interuniversities MicroElectronics Center (IMEC) в сотрудничестве с International Sematech, Hitachi Semiconductor и другими фирмами начала реализацию программы оптимизации транзисторных материалов high-k-гэйт-стэк для суб-90-нанометровых процессов. Программа сориентирована на решение грандиозных задач, в том числе, и на создание гэйт-стэка 1-нм эквивалентной толщины оксида (EOT) и демонстрацию принципиальной осуществимости гэйт-стэка 0,5-нм. Однако решение этих задач сопряжено с проблемой формирования сложных многослойных стэков.

В июне 2002 года компания Samsung Electronics объявила, что в ее лаборатории разработана технология нового поколения для производства плат, по которой многослойную пленку "диоксид гафния – оксид алюминия" получают на кремниевой подложке методом осаждения атомарных слоев (ALD). Новый прогрессивный способ обеспечивает контролируемое выращивание тонких пленок (используется механизм самоограничения роста). По этой технологии можно осаждать слои толщиной всего в несколько ангстрем, которые представляют собой идеальные изоляторы конденсаторов запоминающих устройств. Использование в качестве high-k-изоляторов многослойной пленки "диоксид гафния – оксид алюминия" дает возможность формировать конденсаторы со значительно большей емкостью, чем в случае применения оксида тантала, и сокращает количество производственных этапов. При этом, новый процесс Samsung предлагает практичное технологическое решение, которое можно использовать на уже существующих мощностях без значительных дополнительных капиталовложений.

Во всех сферах применения на первом плане оказывается проблема чистоты материалов, которая в секторе производства суперсплавов не менее значима, чем в электронике и атомной энергетике. Однако задача очистки гафния от примесей циркония весьма и весьма непростая – у этих металлов очень большое геохимическое сродство, и в природе они встречаются только совместно. Из всех известных элементов цирконий и гафний труднее всего поддаются разделению. Можно получать весьма чистый гафний, но полностью устранить примесь циркония пока не представляется возможным, хотя в этом направлении ведутся интенсивные исследования.

Единственный источник первичного металла – минерал циркон, в котором цирконий и гафний содержатся в соотношении 50:1, поэтому переработка циркониевых руд с получением материалов нужной чистоты включает необходимый этап разделения этих металлов. Промышленный способ получения гафния основан на магниетермическом способе его восстановления из тетрахлорида. В традиционной технологии экстракции растворителями для селективного извлечения гафния в виде его тиоцианатного комплекса из солянокислых растворов циркония и гафния используется метилизобутилкетон (MIBK). Однако недавно в качестве альтернативы был создан фосфорорганический экстрагент Cyanex 925, селективно извлекающий цирконий из этих растворов, но без формирования тиоцианатных комплексов. Преимущества Cyanex 925 заключаются в его меньшей растворимости в воде и более высокой температуре воспламенения, при том что отсутствие тиоцианатных ионов позволяет избежать образования сульфида водорода, цианида водорода или меркаптанов.

Исследования в этой сфере продолжаются, поскольку характеристики циркония и гафния жестко зависят от степени взаимной очистки. Цены на гафний варьируются в широком диапазоне – от $220 до $1100 за кг в зависимости от его чистоты.

Галина Резник

 
© агенство "Стандарт"