Материал подготовил А.К. МАЛЬЦЕВ, "Наука в Сибири", 2000 г.

Академик К. А. Валиев однажды на вопросы: "Каковы Ваши взгляды на развитие микро- и наноэлектроники? Что будет после кремния? Арсенид галлия, фуллерены, алмаз?" - ответил: "Я думаю, что кремний будет всегда, по крайней мере, до тех пор, пока совершенно новое не превратит кремниевые сверхбольшие интегральные схемы в изделия "каменного века". Так крупный специалист в области элементной базы подчеркнул, что сейчас в микро- и силовой электронике, солнечной энергетике, микромеханике, ряде других отраслей альтернативы кремнию, как основному материалу, не существует. Причем поистине уникальными возможностями быстрого развития производства полупроводникового кремния в России обладает Сибирь.

Здесь есть богатая сырьевая база - залежи высокочистых кварцитов, а также налажен масштабный выпуск технического (металлургического) кремния на Иркутском и Братском алюминиевых заводах. Еще для тех же целей тут задействованы подлежащие конверсии крупные предприятия, в частности, одно из основных в атомной промышленности - горнохимический комбинат в Железногорске (Красноярский край). Потому-то именно Сибирское отделение РАН направило свои усилия на выполнение интеграционного проекта "Фундаментальные проблемы материаловедения полупроводникового кремния". В работе, длившейся с 1997 по 1999 г., участвовали новосибирские Институты физики полупроводников, неорганической химии, теплофизики им. С. С. Кутателадзе, теоретической и прикладной механики, гидродинамики им. М. А. Лаврентьева, а также иркутские - геохимии и химии.

Проект состоял из четырех разделов. "Фундаментальные проблемы роста высокосовершенных монокристаллов кремния большого диаметра методами Чохральского и бестигельной зонной плавки с предельными параметрами по чистоте, однородности и структурному совершенству" - первый из них. В его рамках исследовали и разрабатывали математические модели связи тепловых, гидродинамических и структурно-физических характеристик расплава с электронными и структурными свойствами монокристаллов кремния большого диаметра. Последние получали бестигельной зонной плавкой в Институте физики полупроводников (совместно с датской фирмой "Хальдор Топсе") при финансовой поддержке Министерств науки и технологий и экономики РФ. А метод Чохральского (выращивание монокристаллов кремния путем вытягивания их из расплава в кварцевом тигле) реализовали на горно-химическом комбинате в Железногорске в рамках специально сформированного научно- производственного комплекса "Кремний". Здесь большое участие приняли Министерства экономики и атомной энергетики РФ.

Работы по второму разделу - "Разработка физических принципов новых типов многослойных структур кремний-на-изоляторе, гетероэпитаксиальных и нанодисперсных структур" - выполняли Институты физики полупроводников и теплофизики, где имеются необходимое оборудование и развитые мощности уникальных вакуумных тонкопленочных технологий высокого уровня.

Изыскания по третьему разделу проекта - "Проработка научных проблем, обеспечивающих получение высококачественного полупроводникового кремния и исходных продуктов (хлорсиланы, поли- и гранулированный кремний, "кварцевые тигли")" - проводили в Институтах неорганической химии, теоретической и прикладной механики, а также Иркутском институте химии. И на этой основе на Железногорском горно-химическом комбинате было организовано производство поликремния.

Последний же раздел - "Разработка технологии получения кремния для солнечной энергетики" - был возложен на Иркутский институт геохимии при участии ЗАО "Кремний" (Иркутский алюминиевый завод, город Шелехов).

Обсуждение основных результатов выполнения проекта в целом составило основную часть программы Второй российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния, которая прошла в начале 2000 г. в столице России. В ее работе участвовали ученые из Москвы, Московской области, Санкт-Петербурга, Нижнего Новгорода, Новосибирска, Красноярска, Иркутска, Киева и Минска - всего свыше 120 человек. В докладах было подчеркнуто: лишь четыре страны владеют технологией получения поликремния - США, Япония, Германия и Россия, хотя спрос на этот материал непрерывно растет. Это обусловлено нуждами микроэлектроники и солнечной энергетики, вклад которой в производство электроэнергии в XXI в. будет значительным.

Развитие технологии получения монокристаллов кремния идет по пути увеличения их размеров при одновременном непрерывном ужесточении требований к совершенству кристаллической структуры и однородности распределения электрофизических характеристик в объеме материала. Наиболее серьезная проблема, возникшая при этом, - необходимость уменьшения в них размеров микродефектов, оказывающих наиболее существенное влияние на рабочие характеристики интегральных схем. На конференции были представлены результаты исследований (Институт физики полупроводников) новых типов так называемых протяженных дефектов в кристаллах кремния, а также метод моделирования процессов тепло- и массопереноса, кристаллизации и дефектообразования (Институт теплофизики), способствующий снижению количества поверхностных субмикронных дефектов.

При изготовлении интегральных схем до сих пор в основном использовали полированные пластины кремния. Однако с переходом микроэлектроники на субмикронный и нанометровый уровень предпочтение стали отдавать эпитаксиальным(*) структурам, тем более, что появились перспективы создания на их основе сверхбыстродействующих схем. Сейчас процессы эпитаксии (в основном - молекулярно-лучевой) в сочетании с ионной имплантацией(*)) и импульсными радиационными воздействиями на материал играют все большую роль в формировании кремниевых структур.

Значительный интерес в последнее время вызывают микрокристаллические и аморфные пленки кремния на стеклянных и металлических подложках - их можно использовать в качестве солнечных элементов, тонкопленочных полевых транзисторов для жидкокристаллических экранов, светоизлучателей и фотоприемников. К тому же ныне разработаны способы получения пленок с предсказуемыми свойствами. Один из наиболее эффективных заключается в использовании сверхзвуковой газовой струи с активизацией газов электронным пучком. При этом скорость осаждения слоев кремния оказывается максимальной.

Привлекла внимание специалистов еще одна модификация этого удивительного материала - пористый кремний. При решении ряда пока открытых проблем (обеспечение стабильности и воспроизводимости) он пригодится в качестве излучателя света видимого диапазона. Но пока успешнее идут изыскания по контролируемому формированию массива пор заданной формы в процессе глубокого фотоанодного травления кремния. Такие структуры применяют при создании матрицы параболических короткофокусных рентгеновских линз и элементов трехмерных фотонных кристаллов.

Другое направление изучения этого пористого материала связано с получением универсальных подложек для гомо- и гетероэпитаксии с последующей разработкой на этой базе полупроводников на диэлектрике, с помощью которых можно существенно снизить величины паразитных емкостей электричества, обеспечить надежную изоляцию подложек, добиться снижения рабочих напряжений и мощностей.

Чем меньше топологические размеры элементов в электронных схемах, тем выше их плотность и сложнее архитектура традиционных проволочных соединений. Последнее обстоятельство - существенное препятствие повышения быстродействия соответствующих приборов. Заманчивой альтернативой существующим соединениям являются оптоэлектронные системы, в принципе способные обеспечить генерацию, модуляцию, усиление, передачу, а также детектирование световых сигналов. Однако проблема оптоэлектроники "упирается" в создание эффективного источника излучений, ибо чистый кремний в силу ряда причин для этой цели не годится. Опыты показывают: задача будет решена, если в него ввести эрбий, формирующий эффективные центры излучательной рекомбинации. Тогда генерируемое ими излучение с длиной волны 1,54 мкм практически не поглощается кремнием и соответствует окну максимальной прозрачности оптических волноводов из кварцевого стекла. Мешает воплощению такого замысла низкая растворимость эрбия в кремнии. Но, как показали ученые из Сибири, преодолеть это препятствие можно, используя неравновесные методы получения сильнолегированных слоев, опираясь на ионную имплантацию, молекулярно-лучевую эпитаксию и ионно- лучевое напыление.

Итак, в процессе выполнения рассматриваемого интеграционного проекта удалось в сравнительно сжатые сроки получить высокосовершенные монокристаллы кремния и ряд продуктов на его основе. Это открывает новые перспективы для прикладных разработок в институтах СО РАН и предприятиях региона, направленных на получение высокотехнологической наукоемкой продукции на основе полупроводникового кремния.

--------------------------------------------------------------------------------
*) Эпитаксия - ориентированный рост одного монокристалла на поверхности другого (подложки) (прим. ред.).

*))Ионная имплантация - введение посторонних (примесных) атомов внутрь твердого тела путем бомбардировки его ионами (прим. ред.).