ELIBRARY.COM.UA is an Ukrainian library, repository of author's heritage and archive

Register & start to create your original collection of articles, books, research, biographies, photographs, files. It's convenient and free. Click here to register as an author. Share with the world your works!

КРЕМНИЙ - МАТЕРИАЛ XXI ВЕКА

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.).

Артур Левашов · 2102 days ago 0 5437
Link
Permanent link to this publication:

http://elibrary.com.ua/blogs/entry/КРЕМНИЙ-МАТЕРИАЛ-XXI-ВЕКА


© elibrary.com.ua
Professional Authors' Comments:
Order by: 
Per page: 
 
  • There are no comments yet
Guest comments




Actions
Rate
0 votes
Publisher
Артур Левашов
Киев, Ukraine
16.12.2013 (2102 days ago)
 

Who Like this
Likes · Dislikes
 
Empty

Libmonster, International Network:

Actual publications:

Libmonster Partners

Latest BOOKS:

Actual publications:

ELIBRARY.COM.UA is an Ukrainian library, repository of author's heritage and archive

Register & start to create your original collection of articles, books, research, biographies, photographs, files. It's convenient and free. Click here to register as an author. Share with the world your works!
КРЕМНИЙ - МАТЕРИАЛ XXI ВЕКА
 

Contacts
Watch out for new publications:

About · News · For Advertisers · Donate $ to Libmonster ($)

Ukraine Library ® All rights reserved.
2009-2019, ELIBRARY.COM.UA is a part of Libmonster, international library network (open map)
Keeping the heritage of Ukraine


LIBMONSTER NETWORK ONE WORLD - ONE LIBRARY

US-Great Britain Germany China India Sweden Portugal Serbia
Russia Belarus Ukraine Kazakhstan Moldova Tajikistan Uzbekistan Estonia Russia-2 Belarus-2

Create and store your author's collection at Libmonster: articles, books, studies. Libmonster will spread your heritage all over the world (through a network of branches, partner libraries, search engines, social networks). You will be able to share a link to your profile with colleagues, students, readers and other interested parties, in order to acquaint them with your copyright heritage. After registration at your disposal - more than 100 tools for creating your own author's collection. It is free: it was, it is and always will be.

Download app for smartphones