Физика миграции

Паковый лед микроэлектронике покоя не дает

Загадки отгадывать любят в детстве. С годами этот процесс перестает радовать - утомляет обилием. И только ученые ломают над загадками головы всю жизнь, не уставая замечать их везде. Так, зав-кафедрой физики в Новочеркасском политехе (НПИ) Владимир Лозовский задумался однажды, почему паковый лед пресный?

Ну, правда, это нормально - живет взрослый человек в теплых краях под Ростовом, а покоя ему не дает многометровый лед северных морей? Думал-думал Владимир Николаевич над ответом и вдруг нашел его в монографии американца Уильяма Пфанна «Зонная плавка».

Историю эту я услышала от доктора наук Бориса СЕРЕДИНА (на снимке справа) из Южно-Российского государственного политехнического университета (ранее - НПИ). Будучи учеником Лозовского, в свое время принял он на себя руководство кафедрой, зовется она теперь кафедрой физики и фотоники. Познакомились мы нынешней осенью на форуме «Микроэлектроника», где Середин делал доклад про кремниевые структуры со сквозными термомиграционными каналами. В попытке объяснить, чем он занимается, Борис Михайлович и вспомнил Уильяма Пфанна. Книжка его, где описывались методы очистки полупроводникового кремния с помощью зоны расплавленного материала, была подарена Лозовским своему ученику.

- А какая связь между пресным паковым льдом и кремнием для полупроводниковых приборов?

- Дело в том, что и там, и там работает термомиграционная очистка. Но начну с понятного. Какая разница между золотом пробы 585 и 375?

- Чем выше проба, тем больше в изделии золота.

- Верно, это значит, что в металле с такими пробами процент золота 58,5 и 37,5 соответственно. Остальное - примеси: серебро, цинк, медь. В ювелирке это терпимо, а вот производство полупроводников требует сумасшедшей чистоты, до пятого знака после запятой. Но природа чистого кремния не производит. Лишь песок - оксид кремния, чистый полупроводниковый кремний из него получить трудно. Сначала оксид необходимо восстановить, получить металлургический кремний. Затем вырастить единый кристалл кремния из расплава. Его плавят при температуре больше 1400 градусов Цельсия. В чем? Любая железная кастрюлька для этого непригодна. При нагреве часть железа, из которого она сделана, растворится в кремнии и сведет на нет свойства, необходимые полупроводнику. Поэтому кремний получают в вакууме, в кварцевых тиглях, из расплава по методу Чохральского. Примерно так, как мы в школе кристаллы выращивали на ниточках из пересыщенного раствора поваренной соли. Первые слитки кремния были диаметром в 5 мм, теперь - 100-200 мм, в лабораториях умеют получать цилиндры диаметром 450 мм.

Но для изготовления приборов кремниевые слитки требуют доочистки. Пфанн обнаружил, что можно поместить кремниевый слиток в кольцо высокого нагрева и начать его медленно двигать. В слитке возникает слой расплава - зона, которая под действием теплового кольца движется к концу слитка. За счет перекристаллизации кремний удается очистить на несколько порядков, в тысячи раз. Сейчас такой метод зовется «бестигельная зонная плавка» (БЗП) - метод очистки твердых веществ, основанный на различной растворимости примесей в твердой и жидкой фазах. Во всем мире применяется, - рассказывает Борис Михайлович, - в СССР тоже использовали. Я, будучи молодым ассистентом, бывал на таких производствах, на моих глазах происходило таинство очистки кремния.

- А сейчас?

- Насколько я в курсе, в России такой кремний БЗП выпускают, но в основном мировые поставки из Китая. Но вернемся к зонной плавке. У Уильяма Пфанна есть глава под названием «Зонная плавка с температурным градиентом». Он заметил, что, если нанести на кремниевую пластину алюминий тонкими полосками определенного рисунка, а с противоположной стороны пластину нагревать, то расплавленный алюминий в кремнии с одной, более холодной, стороны начнет двигаться к более теплой стороне. Словно просачиваться будет сквозь пластину, оставляя после себя монокристаллический кремний, легированный алюминием. Процесс назвали «термомиграцией» - движением жидких зон в твердом теле под действием градиента температуры.

- И соли в паковом льде тоже так уходят?

- Видимо. Будучи хорошим физиком, Владимир Николаевич Лозовский сопоставил природные явления с задачами микроэлектроники, убедил высокое тогдашнее руководство в необходимости создания в НПИ проблемной лаборатории по изучению этого эффекта для нужд микроэлектроники. Ведь вся современная полупроводниковая электроника - приповерхностная. Берут кремниевую пластину. Она такая сероватая, приятная на ощупь, очень хрупкая. И с помощью диффузии, допустим, фосфора или бора, создают поверхностные легированные области. В этом месте и строят из тончайших слоев прибор или микросхему. Чем тоньше слои, тем лучше. Но, оказывается, есть области применения, в которых требуется работать не с поверхностью кремния, а со всем материалом целиком. Такая необходимость возникает, например, в электронике больших токов - силовой электронике. Метод термомиграции дает уникальные возможности, если с его помощью формировать легированные или очищенные области внутри пластины кремния на всю ее глубину.

- Вы говорите, если их создать… Как понимаю, зонную плавку градиентом температуры описали две трети века назад. И что, никто в мире не создал на ее основе технологию?

- Метод технологически сложный. В нем много нюансов, у нас на кафедре поколения физиков изучали его физико-химические закономерности, лишь недавно пришли к пониманию, как сделать его индустриальным. Над проблемой промышленного освоения метода бьются ученые всего мира. Я буквально на днях узнал, что наши конкуренты из Франции (STMicroelectronics) опубликовали статью со своими результатами. У них есть достижения, но проблемы метода до сих пор не решены. В мировой практике еще ни один производитель не запустил термомиграцию индустриально.

У нас шансы освоить этот метод есть. И очень большие. Упорно работая над этим явлением, мы научились делать каналы микрометровой ширины с определенной топологией и точностью. Изучением эффекта термомиграции на нашей кафедре занимаются два доктора наук, три кандидата и семь аспирантов. Есть аксакал - Попов Виктор Петрович, он последователь и соратник Лозовского. Все мы вместе при поддержке Минобрнауки России в рамках госзадания по теме FENN-2023-0005 создали оригинальное оборудование - нагревательное устройство для термомиграции жидких зон в пластине кремния. Сейчас в Воронеже совместно с АО «ВЗПП-Микрон» готовим производственный участок, получили на оборудование патент Российской Федерации на изобретение. Причем делаем семейство сквозных легированных каналов p-типа с кольцевой и квадратной топологиями, что позволяет обеспечивать хорошую изоляцию высоковольтных полупроводниковых приборов на токи до 100 А, изготавливаемых по групповой технологии. Благодаря этому удается интегрировать мощные высоковольтные полупроводниковые приборы с драйверной частью в едином кристалле. Дальше, когда люди увидят, что это все работает для силовой электроники, а завод в Воронеже запускает массовый промышленный выпуск чипов с термомиграционными каналами, планируется выпуск чипов для высоковольтной фотовольтаики, микроэлектромеханических
систем, сенсоров и других устройств. АО «ВЗПП-Микрон» оценивает рынок продукции, произведенной с использованием данного метода, в десятки миллионов рублей.

- А если план измерить в продукции?

- Тоже много. Как Райкин говорил, большая сумма получается. Дело важное, и к нему молодежь тянется. Чувствует его перспективу, очень заманчивую: метод позволяет развернуть парадигму мышления при разработке силовой электроники в направлении 3D-интеграции. Дела всем хватит: для термомиграции моделирование провести - занятие увлекательное и сложное, ну, и теоретические, и инженерные расчеты - для оптимизации этой технологии и конструкций новых приборов, имеющих «термомиграционные» элементы.

Елизавета Понарина

Фото предоставлено ЮРГПУ