mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2022-3-202-213mateltech-482Research ArticleМоделирование процессов и материаловMODELING OF PROCESSES AND MATERIALSТехнология и термомеханика при выращивании трубчатых монокристаллов кремнияTechnology and thermomechanics in growing tubular silicon single crystalshttps://orcid.org/0000-0001-7948-8050ВерезубН. А.VerezubN. A.

просп. Вернадского, д. 101, корп. 1, Москва, 119526

Верезуб Наталия Анатольевна — канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, доцент

101-1 Vernadskii Ave., Moscow 119526

Nataliya A. Verezub — Cand. Sci. (Phys.-Math.), Senior Researcher

verezub@ipmnet.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4973-1328КожитовЛ. В.KozhitovL. V.

Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049

Кожитов Лев Васильевич — доктор техн. наук, профессор, профессор кафедры технологии материалов электроники

4-1 Leninsky Ave., Moscow 119049

Lev V. Kozhitov — Dr. Sci. (Eng.), Professor

kozitov@misis.ruКондратенкоТ. Т.KondratenkoT. T.

Ленинский просп., д. 53, Москва, 119991

Кондратенко Тимофей Тимофеевич — канд. техн. наук, младший научный сотрудник

53 Leninskiy Ave., Moscow, 119991

Timofey T. Kondratenko — Cand. Sci. (Eng.), Researcher

vkrkt@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0430-7881ПростомолотовА. И.ProstomolotovA. I.

просп. Вернадского, д. 101, корп. 1, Москва, 119526

Простомолотов Анатолий Иванович — доктор техн. наук, ведущий научный сотрудник, доцент

101-1 Vernadskii Ave., Moscow 119526

Anatoly I. Prostomolotov — Dr. Sci. (Eng.), Leading Researcher

aprosto@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2490-1578СилаевИ. В.SilaevI. V.

ул. Ватутина, д. 44-46, Владикавказ, Республика Северная Осетия – Алания, 362025

Силаев Иван Вадимович — канд. техн. наук, доцент, зав. каф. физики и астрономии

44-46 Vatutina Str., Vladikavkaz, North Ossetia–Alania Republic, 362025

Ivan V. Silaev — Cand. Sci. (Eng.), Assistant Professor, Head of Physics and Astronomy Department

bigjonick@yandex.ruИнститут проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наукРоссияIshlinsky Institute for Problems in Mechanics of the Russian Academy of SciencesRussian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology MISiSRussian FederationФизический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наукРоссияLebedev Physical Institute of the Russian Academy of SciencesRussian FederationСеверо-Осетинский государственный университетРоссияNorth Ossetian State University after K.L. KhetagurovRussian Federation202228092022253202213Copyright © Верезуб Н.А., Кожитов Л.В., Кондратенко Т.Т., Простомолотов А.И., Силаев И.В., 20222022Верезуб Н.А., Кожитов Л.В., Кондратенко Т.Т., Простомолотов А.И., Силаев И.В.Verezub N.A., Kozhitov L.V., Kondratenko T.T., Prostomolotov A.I., Silaev I.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/482

Рассмотрена проблема выращивания высокоомных малодислокационных трубчатых монокристаллов кремния для непланарных технологий изготовления эпитаксиальных p—n-переходов и производства силовых полупроводниковых приборов нового поколения. Обсуждены возможности выращивания объемных профилированных кристаллических изделий методом Степанова, применение которого основано на использовании формообразователей различных конструкций. В том числе, обсуждены недостатки применения формообразователей, связанные с загрязнением расплава инородными частицами и примесями. Основное внимание уделено применению оборудования, реализующего кристаллический рост из расплава без формообразователя по методу Чохральского. Дан предварительный анализ процессов термомеханики применительно к существующему и хорошо отлаженному процессу выращивания методом Чохральского поликристаллических сильно дислокационных кремниевых труб большого диаметра для эпитаксиальных реакторов. Отмечено, что для выращивания трубчатых малодислокационных монокристаллов кремния малого диаметра требуется существенная модернизация стандартного теплового узла, которая в данной работе реализована применительно к установке «РЕДМЕТ-10» для метода Чохральского. С помощью компьютерного моделирования проведен расчет процессов термомеханики в такой модернизированной установке. Выполнена характеризация параметров выращенных трубчатых монокристаллов кремния, дана оценка их пригодности для изготовления силовых полупроводниковых приборов по непланарной технологии.

The problem of growing high-resistance low-dislocation tubular silicon single crystals for non-planar manufacturing technologies of epitaxial p-n junctions and the production of new-generation power semiconductor devices is considered. The possibilities of Stepanov method for growing volumetric profiled crystalline products, the application of which is based on the use of shapers of various designs, are discussed. In particular, the shortcomings of shapers associated with the melt contamination by foreign particles and impurities are discussed. Therefore, the main attention is paid to the use of equipment that implements crystal growth from a melt without a shaper by Czochralski method. The processes of thermal mechanics are preliminary analyzed in relation to the existing and well-established process of growing polycrystalline highly dislocation silicon pipes of large diameter by Czochralski method for epitaxial reactors.It is noted that the growth of tubular low-dislocation small diameter silicon single crystals requires a significant modernization of the standard hot zone, which in this work is implemented for “REDMET-10” Czochralski furnace. By means of computer simulation, thermal mechanical processes are calculated for such a modernized Czochralski furnace. The parameters of grown tubular silicon single crystals are characterized, and their manufacturing suitability for power semiconductor devices using nonplanar technology is assessed.

кремнийтрубывыращивание монокристалловтермомеханикакомпьютерное моделированиеsiliconpipessingle crystal growththermal mechanicscomputer simulationКомпьютерное моделирование выполнено по теме государственного задания ИПМех РАН (№ госрегистрации АААА-А20-120011690136-2).Computer modeling was performed on the topic of the state task of Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics, RAS (state registration number AAAA-A20-120011690136-2).ReferencesСтепанов А.В. Новый способ получения изделий (листов, труб, прутков разного профиля) непосредственно из расплава. Журнал технической физики. 1959; 29(3): 381—393.Stepanov A.V. A new method for obtaining products (sheets, pipes, bars of various profiles) directly from the melt. Zhurnal Tekhnicheskoi Fiziki. 1959; 29(3): 381—393. (In Russ.)Степанов А.В., Цвинский С. Получение монокристаллов германия определенной формы. Физика твердого тела. 1965; 7: 194—199.Stepanov A.V., Tsvinsky S. Obtaining single crystals of germanium of a certain shape. Fizika Tverdogo Tela. 1965; 7: 194—199. (In Russ.)Антонов П.И. Форма и свойства кристаллов, выращиваемых из расплава по способу Степанова. В сб.: Рост кристаллов. Т. 13. М.: Наука; 1980: 171—179.Antonov P.I. The shape and properties of crystals grown from the melt by the Stepanov method. In: Growth of crystals. Vol. 13. Moscow: Nauka; 1980: 171—179. (In Russ.)Носов Ю.Г., Никаноров С.И. Выращивание профилированных кристаллов при капиллярном формообразовании расплава. Обзор зарубеж. работ. Л.: ЛИЯФ; 1979. 42 с.Nosov Yu.G., Nikanorov S.I. Cultivation of profiled crystals during capillary melt forming. Leningrad: LIYaF; 1979. 41 р. (In Russ.)Абросимов Н.В., Брантов С.К., Татарченко В.А., Люкс Б. Выращивание профилированных кристаллов кремния по способу Степанова с использованием различных вариантов нагрева. Известия. АН СССР. Серия физическая. 1983; 47(2): 351—355.Abrosimov N.V., Brantov S.K., Tatarchenko V.A., Lux B. Cultivation of profiled silicon crystals according to the Stepanov method using various heating options. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 1983; 47(2): 351—355. (In Russ.)Татарченко В.А., Бренер Е.А. Устойчивость процесса кристаллизации из расплава при капиллярном формообразовании. Известия. АН СССР. Серия физическая. 1976; 40(7): 1456—1467.Tatarchenko V.A., Brener E.A. Stability of the crystallization process from the melt during capillary shaping. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 1976; 40(7): 1456—1467. (In Russ.)Сачков Г.В., Татарченко В.А., Левинзон Д.И. Управление процессом капиллярного формообразования монокристаллов, выращиваемых из расплава. Известия. АН СССР. Серия физическая. 1973; 37(11): 2288—2291.Sachkov G.V., Tatarchenko V.A., Levinzon D.I. Control of the process of capillary shaping of single crystals grown from melt. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 1973; 37(11): 2288—2291. (In Russ.)Антонов П.И., Затуловский Л.М., Костыгов А.С. и др. Получение профилированных монокристаллов и изделий способом Степанова. Л.: Наука; 1981. 280 с.Antonov P.I., Zatulovsky L.M., Kostygov A.S. et al. Obtaining profiled single crystals and products by the Stepanov method. Leningrad: Nauka; 1981. 280 p. (In Russ.)Лутцев В.Б., Мильвидский М.Г., Иноземцев А.В., Сидоренко Н.В. Математическое моделирование процесса выращивания крупногабаритных монокристаллов германия способом Степанова. В сб.: Рост кристаллов. М.: Наука; 1983: 4—11.Luttsev V.B., Milvidsky M.G., Inozemtsev A.V., Sidorenko N.V. Mathematical modeling of the process of growing large-sized single crystals of germanium by the Stepanov method. In: Growth of crystals. Moscow: Nauka; 1983: 4—11. (In Russ.)Лейбович В.С. Динамика формообразования кристаллов по способу Степанова. Известия. АН СССР. Серия физическая. 1983; 47(2): 219—229.Leibovich V.S. Dynamics of crystal formation according to the Stepanov method. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 1983; 47(2): 219—229. (In Russ.)Sachs E.M. Thermal sensitivity and stability of EFG silicon ribbon growth. Journal of Crystal Growth. 1980; 50(1): 102—113. https://doi.org/10.1016/0022-0248(80)90235-3Sachs E.M. Thermal sensitivity and stability of EFG silicon ribbon growth. Journal of Crystal Growth. 1980; 50(1): 102—113. https://doi.org/10.1016/0022-0248(80)90235-3Eriss L., Stormont R.W., Surek T., Taylor A.S. The growth of silicon tubes by EFG process. Journal of Crystal Growth. 1980; 50(1): 200—211. https://doi.org/10.1016/0022-0248(80)90244-4Eriss L., Stormont R.W., Surek T., Taylor A.S. The growth of silicon tubes by EFG process. Journal of Crystal Growth. 1980; 50(1): 200—211. https://doi.org/10.1016/0022-0248(80)90244-4Alioshin A.A., Bletscan N.I., Bogatyriov S.F., Fedorenko V.N. Silicon furnace components for microelectronic applications fabricated from shaped silicon tubes. Journal of Crystal Growth.1990; 104(1): 130—135. https://doi.org/10.1016/0022-0248(90)90321-BAlioshin A.A., Bletscan N.I., Bogatyriov S.F., Fedorenko V.N. Silicon furnace components for microelectronic applications fabricated from shaped silicon tubes. Journal of Crystal Growth.1990; 104(1): 130—135. https://doi.org/10.1016/0022-0248(90)90321-BAlioshin A.A., Epimakhov I.D., Panfilov I.V., Prostomolotov A.I. Analysis of thermostress state in silicon tubes during its melt growing. Proc. 4th Int. Conf. “Single Crystal Growth and Heat&Mass Transfer” / V.P. Ginkin, ed. In 4 vol. 24–28 September 2001. Obninsk, Russia. Obninsk; 2001.Vol. 3: 680—688.Ginkin V.P., Alioshin A.A., Epimakhov I.D., Panfilov I.V., Prostomolotov A.I. Analysis of thermostress state in silicon tubes during its melt growing. Proc. 4th Int. Conf. “Single Crystal Growth and Heat&Mass Transfer”. In 4 vol. September 24–28, 2001. Obninsk, Russia. Obninsk; 2001.Vol. 3: 680—688.Wijaranakula W. A real-time simulation of point defect reactions near the solid and melt interface of a 200 mm diameter Czochralski silicon crystal. Journal of the Electrochemical Society. 1993; 140(11): 3306—3316. https://doi.org/10.1149/1.2221028Wijaranakula W. A real-time simulation of point defect reactions near the solid and melt interface of a 200 mm diameter Czochralski silicon crystal. Journal of the Electrochemical Society. 1993; 140(11): 3306—3316. https://doi.org/10.1149/1.2221028Кожитов Л.В., Кондратенко Т.Т., Крапухин В.В., Кондратенко Т.Я. Приборы и технология на основе непланарного кремния. В кн.: Новые материалы / под ред Ю.С. Карабасова. М.: МИСиС; 2002: 15—184.Karabasov Y.S., Kozhitov L.V., Kondratenko T.T., Krapukhin V.V., Kondratenko T.Ya. Devices and technology based on non-planar silicon. In: New materials. Мoscow: MISiS; 2002: 15—184. (In Russ.)Кожитов Л.В. Перспективные технологии и оборудование для материаловедения, микро- и наноэлектроники. Труды IV Росс.-япон. семинара / под ред. Л.В. Кожитова, В.К. Карпасюка. МИСиС – ULVAC Inc.; Астрахань, АГУ. 20–23 мая 2006 г., Астрахань. М.: МИСиС; Астрахань: АГУ; 2006: 30—310.Kozhitov L.V., Karpasyuk V.K., Kozhitov L.V. Promising technologies and equipment for materials science, micro- and nanoelectronics. Proc. of the IV Inter. Russ.-Japan. Seminar. Moscow MISiS – ULVAC Inc.; Astrakhan, AGU. May 20–23, 2006. Miscow MISiS; Astrakhan’: AGU; 2006: 30—310. (In Russ.)Патент (РФ) № 2007112010/15, МПК C30B15/00. Кожитов Л.В., Кондратенко Т.Т., Крапухин В.В., Казимиров Н.И., Сорокин С.Л., Тарадей В.А., Блиев А.П., Силаев И.В. Способ выращивания полых цилиндрических монокристаллов Si на основе метода Чохральского и устройство для его осуществления. Заявл. 03.04.2007; опубл. 20.05.2009. https://www.freepatent.ru/patents/2355831Patent (RU) No. 2007112010/15, IPC C30B15/00. Kozhitov L.V., Kondratenko T.T., Krapukhin V.V., Kazimirov N.I., Sorokin S.L., Taradey V.A., Bliev A.P., Silaev I.V. A method for growing hollow cylindrical Si single crystals based on the Chokhralsky method and a device for its implementation. Appl. 03.04.2007; publ. 20.05.2009. (In Russ.). https://www.freepatent.ru/patents/2355831Блиев А.П., Силаев И.В., Кожитов Л.В., Кондратенко Т.Т. Получение профильных монокристаллов кремния трубчатой формы. Фундаментальные исследования. 2007; (12-3): 519—520.Bliev A.P., Silaev I.V., Kozhitov L.V., Kondratenko T.T. Obtaining profile single crystals of tubular silicon. Fundamental Research. 2007; (12-3): 519—520. (In Russ.)Гаража Е.В. Тумаев Е.Н. Конвективный массоперенос в расплаве при выращивании кристаллов методом Чохральского. Доклады IV конф. молодых учёных «Реология и физико-химическая механика гетерофазных систем». 20–24 июня 2015 г., Москва. М.: 107—108.Garaza E.V. Tumaev E.N. Convective mass transfer in the melt during crystal growing by the Chokhralsky method. Reports of the IV Conf. of young scient. “Rheology and physico-chemical mechanics of heterophase systems”. June 20–24, 2015. Moscow: 107—108. (In Russ.)Боуэн Б.К., Таннер Д.К. Высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия и топография / пер. с англ. СПб.: Наука; 2002. 274 c.Bowen D., Tanner B. High resolution x-ray diffractometry and topography. UK; USA: Taylor & Francis Ltd; 1998. 263 p. (Russ. Transl.: Bouen B.K., Tanner D.K. Vysokorazreshayushchaya rentgenovskaya difraktometriya i topografiya. St. Petersburg: Nauka; 2002. 274 p.)Верезуб Н.А., Простомолотов А.И. Механика процессов выращивания и термообработки монокристаллического кремния. Известия РАН. Механика твердого тела. 2020; (5): 51—63. https://doi.org/10.31857/S0572329920040157Verezub N.A., Prostomolotov A.I. Mechanics of growing and heat treatment processes of monocrystalline silicon. Mechanics of Solids. 2020; 55(5): 643—653. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S0572329920040157Prostomolotov A., Ilyasov H., Verezub N. Crystmo/Net remote access code for Czochralski crystal growth modeling. Science and Technology. 2013; 3(2A): 18—25.Prostomolotov A., Ilyasov H., Verezub N. CrystmoNet remote access code for Czochralski crystal growth modeling. Science and Technology. 2013; 3(2A): 18—25. https://doi.org/1010.5923/s.scit.201301.04

The authors declare that there are no conflicts of interest present.