«Наука в Сибири» № 2 (2238) 14 января 2000 г.
Кремний
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО
КРЕМНИЯ
А.Асеев, доктор физико-математических наук, директор ИФП СО РАН,
В.Попов, кандидат физико-математических наук, заведующий отделом
ИФП СО РАН.
Слитки кремния высокого качества
Интеграционный проект под таким названием выполнен в период с
1997 по 1999 годы силами сотрудников семи институтов Сибирского
отделения, в том числе в Новосибирске: Физики полупроводников,
Неорганической химии, Теплофизики, Теоретической и прикладной
механики, Гидродинамики, и институтов в Иркутске -- Геохимии,
Органической химии. Непосредственным инициатором и руководителем
проекта был безвременно ушедший из жизни член-корреспондент РАН
К.Свиташев. Он одним из первых осознал, чем грозит для России
потеря позиций СССР в области производства и исследования
полупроводникового кремния -- основного материала современной
микроэлектроники, силовой электроники и таких быстроразвивающихся
областей, как солнечная энергетика, микромеханика, производство
биочипов (основные заводы по производству ИСХОДНЫХ продуктов
кремниевого производства и полупроводникового кремния были
сосредоточены на Украине). Состояние этих производств в
значительной степени определяет уровень развития
высокотехнологических отраслей промышленности, систем
коммуникаций и национальной безопасности. Лишь несколько стран
мира (США, Япония, Германия) обладают замкнутым технологическим
циклом получения полупроводникового кремния.
Сибирский регион России обладает уникальными возможностями
восстановления и быстрого развития производства
полупроводникового кремния, что обусловлено наличием масштабного
производства технического (металлургического) кремния на
Иркутском и Братском алюминиевых заводах, уникальной сырьевой
базой высокочистых кварцитов, наличием подлежащих конверсии
мощностей химических производств, в том числе одного из основных
предприятий атомной промышленности -- Горно-химического комбината
в г.Железногорске, высоким научно-техническим и образовательным
потенциалом Сибири. Следует отметить, что одним из движущих
мотивов при этом является стремление уйти от преимущественно
сырьевой направленности экспортных поставок кварцитов (стоимость
несколько центов за кг) и технического кремния (по цене около
двух долларов за кг) к производству и поставке полупроводникового
кремния, стоимость которого на мировом (и, заметим,
быстрорастущем) рынке достигает нескольких сотен долларов за
килограмм.
Работы по проекту велись по четырем основным блокам. Первый блок
-- "Фундаментальные проблемы роста высокосовершенных
монокристаллов кремния большого диаметра методами Чохральского и
бестигельной зонной плавки с предельными параметрами по чистоте,
однородности и структурному совершенству" (руководители работ
член-корр. РАН В.Пухначев, д.ф.-м.н. А.Асеев, к.ф.-м.н. В.Попов,
к.ф.-м.н. В.Бердников, д.ф.-м.н. В.Яковлев). Эта работа была
направлена на экспериментальное исследование и теоретическое
моделирование связи тепловых, гидродинамических и
структурно-физических характеристик расплава с электронными и
структурными свойствами монокристаллов кремния большого диаметра.
Основная материальная база при проведении интеграционного проекта
в части блока I состояла из двух участков получения
монокристаллического кремния. Участок получения
монокристаллического кремния методом бестигельной зонной плавки
организован в Институте физики полупроводников, в кооперации с
фирмой "Хальдор Топсе" (Дания) при поддержке Министерств
экономики и науки и технологий РФ. Участок получения
монокристаллического кремния методом Чохральского на Красноярском
горнохимическом комбинате (г.Железногорск) создан совместно с
Сибирским отделением РАН в рамках Научно-производственного
комплекса "Кремний" при поддержке Министерств экономики и атомной
энергетики (метод Чохральского назван по имени его изобретателя и
состоит в выращивании монокристаллов с помощью вытягивания из
расплава в кварцевом тигле).
Основой для проведения работ по блоку II -- "Разработка
физических принципов формирования новых типов многослойных
структур кремний-на изоляторе, гетероэпитаксиальных и
нанодисперсных структур" (руководители д.ф.-м.н. О.Пчеляков,
д.ф.-м.н. А.Двуреченский, д.ф.-м.н. М.Предтеченский, к.ф.-м.н.
В.Попов) -- явились развитые в институтах Физики полупроводников
и Теплофизики мощности уникальных вакуумных тонкопленочных
технологий высокого уровня.
Блок III -- "Проработка научных проблем, обеспечивающих получение
высококачественного полупроводникового кремния и исходных
продуктов (хлорсиланы, поли- и гранулированный кремний, кварцевые
тигли" -- (руководитель работ -- академик Ф.Кузнецов). Эти работы
выполнялись в институтах Неорганической химии, Теоретической и
прикладной механики и Иркутском институте органической химии в
тесной связи с созданием производства поликремния в рамках
конверсии Красноярского горно-химического комбината (КГХК).
Работы по блоку IV -- "Разработка технологии получения кремния
для солнечной энергетики" (руководитель д.ф.-м.н. А.Непомнящих)
выполнялись в Институте геохимии с использованием мощностей
кремниевого производства ЗАО "Кремний" (Иркутский алюминиевый
завод, г.Шелехов).
Фундаментальные проблемы материаловедения полупроводникового
кремния, общие для всех блоков проекта, сводятся к физически и
математически наиболее полному описанию процессов фазовых
переходов и структурных перестроек на каждом из этапов получения
полупроводникового кремния. Важным при этом представляется
отсутствие масштабной инвариантности (скейлинга), обусловленное
атомным строением материалов, которое проявляется наиболее ярко в
современных полупроводниковых системах. С одной стороны развитие
вычислительной техники приводит к появлению гигабитных
ультрабольших (не только по числу элементов, но и по линейным
размерам) кремниевых интегральных схем, использующих кремниевые
пластины диаметром 200--300 мм, а с другой -- к уменьшению
объемов отдельных элементов этих схем до нескольких тысяч и даже
сотен атомов. Такое различие масштабов требует постановки задачи
построения и исследования адекватных физических моделей,
позволяющих заполнить брешь между физикой сплошных сред и атомной
физикой. Таким образом? необходим переход от описания эволюции
волновых функций элементарных возбуждений и структурных переходов
в атомных кластерах из первых принципов квантовой механики к
адекватному описанию транспорта носителей заряда и фазовых
переходов в атомных спектрах микроскопических размеров.
Кремний сегодня --
наиболее пригодный модельный материал для такого рода
исследований как один из наиболее изученных, используемых
человечеством. Практическую значимость этих исследований трудно
переоценить, так как, по мнению специалистов, этот материал будет
доминировать в ближайшее десятилетие не только в
микроэлектронике, но и в большинстве поисковых исследований,
связанных с созданием квантовых компьютеров (см. публикацию в
нашей газете
N 43 за ноябрь 1999 г. с отчетом о IV Российской
конференции по физике полупроводников).
Высокосовершенные монокристаллы и новые структуры
В краткой газетной публикации невозможно подробно рассказать о
всех результатах работ по проекту. Обсуждение их, в частности,
составит значительную часть программы конференции "Кремний-2000",
которая будет проводиться в феврале этого года в Москве. Наиболее
весомый результат отражен в официальном заключении
Межведомственного координационного совета по проблеме кремния,
подписанном председателем совета членом-корреспондентом РАН
Э.Бочкаревым (Гиредмет) и сопредседателем совета, руководителем
программы "Кремний" Минатома РФ Ю.Тычковым. Отмечено, что в
настоящее время ведется выращивание монокристаллов кремния
методом бестигельной зонной плавки с диаметром два, три и четыре
дюйма и производится отработка режимов выращивания монокристаллов
с диаметром пять и шесть дюймов. Полученные кристаллы не содержат
дислокаций и обладают рекордными электрофизическими параметрами
(удельное электросопротивление до 4,9 кОм·см, время жизни
носителей заряда 1-2 миллисекунды, концентрация легирующих
примесей менее 1012 см-3, концентрация углерода и кислорода менее
1016 см-3). Успех в этом направлении во многом обеспечен
самоотверженной работой коллектива инженерно-технического отдела
ИФП СО РАН, который принял на свои плечи основной объем труда,
связанный с размещением и пуском установок бестигельной зонной
плавки и отработкой технологии процесса выращивания кристаллов.
Начальник отдела А.Дрофа и сотрудники П.Смирнов, А.Борисов и
другие приложили максимум усилий для обеспечения надежности
сложного оборудования и освоения секретов сложнейшей технологии
выращивания кристаллов. Отметим, что в Институте физики
полупроводников сложилась своеобразная "кремниевая" династия
Смирновых, поскольку отец П.Смирнова -- профессор Л.С.Смирнов
известен как крупный специалист и основатель научной школы по
радиационной физике и дефектам в кремнии, воспитавший не одно
поколение плодотворно работающих научных сотрудников, среди
которых и директора институтов, и лауреаты Государственных
премий.
Не менее весомы -- в прямом и переносном смыслах -- результаты
работы участка выращивания кремния методом Чохральского на КГХК.
Получены кристаллы диаметром шесть и восемь дюймов с длиной более
метра, часть из них передана государственному заказчику. Часто
мешающие самым перспективным работам межведомственные барьеры
удалось преодолеть благодаря энергичной работе сотрудников
Научно-производственного комплекса "Кремний" во главе с
генеральным директором кандидатом технических наук А.Третьяковым.
Отметим, что инициатива организации НПК "Кремний" при ИФП СО РАН
также принадлежит К.Свиташеву.
Теоретическое моделирование тепловых и гидродинамических
процессов в расплаве кремния с межфазными границами при
бестигельном росте или росте монокристаллов методом Чохральского,
проведенное в коллективах под руководством члена-корреспондента
РАН В.Пухначева и кандидата физико-математических наук
В.Бердникова, соответственно, выявили критические параметры,
определяющие возможность роста кристаллов большого диаметра:
условия равновесия в тройной точке фазового контакта, скорости
движения границы кристалл-расплав и другие.
Среди важных фундаментальных результатов работы по блоку I
следует указать на принципиально новые данные об атомных
процессах формирования кластеров (скоплений) собственных точечных
дефектов в особочистом кремнии, полученные кандидатами
физико-математических наук Л.Фединой и А.Гутаковским с помощью
уникальных экспериментов на электронном микроскопе атомного
разрешения. Интерес к этим данным проявила фирма "Вакер"
(Германия) -- один из лидеров и монополистов мирового
производства полупроводникового кремния.
В блоке II результаты прорывного характера состоят в разработке и
изготовлении на базе полученного БЗП-кремния новых элементов
силовой электроники -- мощных тиристоров, управляемых созданными
в интегральном исполнении МОП
(металл-диэлектрик-полупроводник)-транзисторами на поверхности.
Уверенное переключение с помощью этих элементов мощностей в
десятки и сотни киловатт открывает возможности конструирования
концептуально новых систем силовой электроники. Активно
работающая в этом направлении лаборатория кандидата
физико-математических наук В.Попова добилась прорыва также в
области создания структур кремний-на-изоляторе с рекордными
параметрами по толщине отсеченного слоя кремния (до 3 нанометров)
при достаточно хорошем качестве границ раздела КНИ-структуры.
Такие структуры перспективны для широкого класса применений: от
радиационно-стойких интегральных схем до высокотемпературных
элементов одноэлектроники и привлекли внимание
предприятий-заказчиков в России и Беларуси.
Несомненную важность для современной полупроводниковой технологии
имеют результаты выращивания совершенных структур
кремний-германий на податливых подложках со слоем пористого
кремния, полученные в подразделениях ИФП под руководством
докторов физико-математических наук О.Пчелякова и
А.Двуреченского. Наноструктурированный кремний с необычными
оптическими свойствами получен с помощью метода лазерной абляции
в Института теплофизики под руководством д.ф.-м.н.
М.Предтеченского.
Исходные продукты и кремний "солнечного качества"
В рамках блока III программы под руководством доктора химических
наук, заведующего лабораторией В.Титова (ИНХ) исследованы
термодинамические аспекты процессов получения полупроводникового
кремния и разработан программный комплекс для термодинамического
моделирования процессов получения поликристаллического кремния.
Программный комплекс передан на КГХК для использования инженерами
и технологами, непосредственно занятым проектированием и
проведением основных переделов металлургического кремния в
хлорсиланы, их конверсии и водородного восстановления. Ведущим
научным сотрудником В.Косяковым выполнены практически полезный
термодинамический и газодинамический анализ процессов получения
гранулированного кремния, перспективного для использования в
методе Чохральского, в реакторах вихревого типа. Кандидатом
физико-математических наук, ведущим научным сотрудником
Т.Смирновой (ИНХ) и доктором химических наук, заведущим
лабораторией Р.Земсковым (ИрИОХ) разработаны процессы синтеза
кремнийорганических соединений из полисиланхлоридов,
рассматриваемых обычно в качестве отходов кремниевого
производства. Предложен новый процесс плазмохимического
газофазного осаждения слоев карбида кремния -- перспективного
широкозонного полупроводника -- из триметилхлорсилана и
тетраметилсилана с использованием удаленной плазмы гелия.
Полученные пленки карбида кремния представляют интерес для
создания химически стойких элементов высокотемпературной
микроэлектроники и сенсорики.
Весьма обнадеживающие результаты по восстановлению кремния
полупроводникового качества из моносилана в специализированном
малоэрозионном плазмотроне получены в ИТПМ под руководством
доктора физико-математических наук А.Тимашевского. Эти результаты
послужили основой для разработки плазмотрона мощностью 50--100
кВт с совмещенным процессом дистилляционной очистки и
восстановления кремния из измельченных кварцитов с использованием
газофазного водородсодержащего восстановителя.
Результаты принципиально нового уровня были получены при
разработке технологии получения кремния для солнечной энергетики
в рамках блока IV (руководитель работ д.ф.-м.н. А.Непомнящих).
Генеральным направлением работ было определено прямое получение
кремния методами направленной кристаллизации из рафинированного
технического кремния, полученного карботермическим
восстановлением чистых природных кварцитов Восточной Сибири. Был
определен потенциал месторождений кварцитов Восточно-Сибирского
региона на природное кварцевое сырье для получения
полупроводникового кремния для солнечной энергетики. В совместных
экспериментах и с использованием производственных мощностей ЗАО
"Кремний" (г.Шелехов) из кварцитов Черемшанского и
Восточно-Саянского месторождений получены партии
металлургического кремния, которые затем подверглись очистке
методами направленной кристаллизации в Институте геохимии.
Показано, что уже при первой перекристаллизации происходит
очистка кремния от большинства примесей на полтора--три порядка,
а полученный материал (мультикремний) имеет удельное
сопротивление 0,1-10 Ом·см, концентрацию носителей до
2·1017 см-3, подвижность до
150 см2/В·с, время жизни до 30 мкс.
Полученные параметры весьма близки к необходимым для создания
солнечных батарей на базе данного материала. Главной проблемой
остается понижение концентрации атомов бора, который трудно
удаляется при методе направленной кристаллизации из-за близости
коэффициента сегрегации бора к единице. Эта проблема, тем не
менее, представляется разрешимой, поскольку основным источником
бора является не исходное кварцитовое сырье, а материал
восстановителя (нефтекокс, древесный и каменный угли). Отметим,
что при проведении данной работы была использована вся мощь
аналитических методов Института геохимии, а также возможности
аналитических методов, имеющиеся в институтах Физики
полупроводников и Неорганической химии.
Необходимо сказать, что в ходе выполнения интеграционного проекта
удалось реализовать основную идею организаторов конкурса,
состоящую в том, чтобы с помощью сравнительно небольших средств,
выделенных на проект, привести в действие значительный научный
потенциал институтов СО РАН -- основных участников проекта. Как
мы видим, удалось обеспечить умножение усилий институтов
различного профиля (физико-технического, химического, механики,
энергетики и наук о Земле) и в сравнительно сжатые сроки получить
высокосовершенные монокристаллы кремния, кремний солнечного
качества и ряд продуктов на основе кремния (КНИ-структуры,
наноструктурированный кремний, гомо- и гетероэпитаксиальные
структуры). Предложенные решения открывают новые перспективы
прикладных разработок в институтах СО РАН и предприятиях
Сибирского региона, направленные на создание
высокотехнологической наукоемкой продукции на основе
полупроводникового кремния. Добавим работы по созданию детекторов
радионуклидов на основе БЗП-кремния и устройств одноэлектроники
на основе полученных КНИ-структур.
Представляется, что программа интеграционных проектов СО РАН на
следующий период должна включать развитие и использование
достигнутого потенциала в области материаловедения
полупроводникового кремния. В частности, укажем на проблему
получения моноизотопного кремния как материала для квантового
компьютера на эффектах спинового резонанса, и проблему разработки
источников ионов кислорода и водорода для создания структур КНИ
на пластинах кремния большого диаметра.
На снимке: Павел Смирнов демонстрирует монокристаллы кремния,
выращенные методом бестигельной зонной плавки на участке
БЗП-кремния в Институте физики полупроводников СО РАН.
стр.
|