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).
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.
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.
А.Асеев, доктор физико-математических наук,
директор ИФП СО РАН,
В.Попов, кандидат физико-математических наук,
заведующий отделом
ИФП СО РАН.
На снимке: Павел Смирнов демонстрирует монокристаллы кремния, выращенные методом бестигельной зонной плавки на участке БЗП-кремния в Институте физики полупроводников СО РАН.