Ядерная алхимия Алексея Стука

В 1970-е годы на исследовательском ядерном реакторе ВВР-ц в Обнинске группа ученых заложила научные основы нового направления — ядерного легирования полупроводников. В разработку технологии включился только что окончивший вуз Алексей Стук. Полвека он посвятил развитию этого направления. Летом начальнику отдела технологии ядерно-легированного кремния Научно-исследовательского физико-химического института (НИФХИ) им. Карпова исполнилось 80 лет. Мы встретились с ученым.

Из Москвы в Обнинск

— У вас необычная фамилия, знаете ее происхождение?

— Родом я из Брянской области, деревни Каменск Суражского района, который граничит с Белоруссией и Украиной. Местный диалект совмещает русские, белорусские и украинские слова, что, возможно, и способствовало сокращению русской фамилии Стуков.

— Когда и как вы оказались в Обнинске?

— Было это в 1966 году. Мне 20 лет, я студент Московского энергетического института. Наш факультет промышленной теплоэнергетики переводят в Смоленск. Мой родственник, сотрудник Физико-энергетического института в Обнинске, советует перевестись в местный филиал МИФИ. Я так и сделал. Город мне понравился: кругом леса, зелень, чистота, культура, много молодежи, интеллигенции. Со временем, правда, Обнинск изменился не в лучшую сторону. Появилось много приезжих из стран ближнего зарубежья, детские садики и школы были переполнены, городская инфраструктура не справлялась. Сейчас ситуация постепенно выправляется.

— НИФХИ — ваше первое место работы?

— После вуза в 1972 году я женился и почти сразу ушел в армию. По возвращении меня дома ждала не только жена, но и сын. Ну а дальше — вся жизнь в Карповке.

Студентом я проходил практику на ускорителе электронов, изучал радиационно-химические процессы в разных материалах при воздействии высокоэнергетических электронов. Поэтому, когда директор НИФХИ (филиала в Обнинске. — «СР») Сергей Соловьев на собеседовании спросил: «Чем хотите заниматься?», я ответил, не задумываясь: «Хочу изучать воздействие разных видов излучений на материалы». В институте как раз открывали новое направление — ядерное легирование полупроводников. Туда меня и определили.

Превращения кремния

— Зачем легировать полупроводники?

— Нелегированный кремний с собственной проводимостью мало на что пригоден. В то же время на проводимость полупроводникового кремния влияют примеси даже в малейшей концентрации. Если добавить нужную, удельное электрическое сопротивление можно снизить на порядки. Для кремния такой примесью может быть фосфор.

В начале 1970-х в стране возникла большая потребность в легированном кремнии — мы отставали от мировых лидеров по силовым полупроводниковым приборам. Но металлургическими методами легировать кремний было неэффективно: много брака в приборах из-за неоднородного распределения легирующей примеси в пластине кремния.

В 1950-е годы физик Карл Ларк-Горовиц воздействовал нейтронным излучением на германий. Однако облучение германия создало сложный набор изотопных превращений и радиационных дефектов, которые завуалировали преимущества метода. В 1971 году мы впервые в мире облучили в ядерном реакторе ВВР-ц чистый монокристалл кремния, выращенный на Подольском химико-металлургическом заводе, ПХМЗ, и получили положительный результат. Впоследствии из монокристалла был изготовлен первый отечественный полупроводниковый диод. Тем самым мы доказали, что атомы кремния под действием тепловых нейтронов превращаются в стабильный фосфор. И он распределяется однородно по всему объему, если монокристалл равномерно облучить.

— Что за форма кремния — монокристалл?

— В микро- и силовой электронике применяют монокристаллический кремний — особо чистый материал с непрерывной кристаллической решеткой без внутренних границ зерен. На ПХМЗ получали монокристаллы по двум металлургическим технологиям: методами Чохральского и бестигельной зонной плавки, БЗП. Оба по сей день применяют во всем мире. Но сначала в основном водородным восстановлением из трихлорсилана получают поликристаллический кремний. В методе Чохральского, наиболее распространенном, поликристаллический кремний и легирующую добавку загружают в кварцевый тигель. При 1410 °C смесь плавят. Затем в расплав опускают монокристаллическую затравку, медленно вращают ее и вытягивают. Так получают монокристаллы диаметром до 400 мм. К основным недостаткам метода можно отнести неточность дозировки легирующей примеси, высокую неоднородность и полосчатость ее распределения по объему слитка, загрязненность слитка материалами тигля — кислородом, углеродом, которые не всегда полезны для силовых полупроводниковых приборов.

— Бестигельная зонная плавка сложнее?

— Да, зато продукт получается чище — почти на два порядка меньше кислорода и углерода. Нет тиглей — нет примесей от них. Поликремний расплавляют высокочастотным индуктором. Но диаметр монокристаллов меньше — максимум 250 мм. Да и в остальном монокристаллы кремния, выращенные по технологии БЗП, имеют те же недостатки, что и по методу Чохральского. Это существенно ограничивает рабочее напряжение электронного прибора из такого материала. Например, мощного тиристора.

Реактор в помощь

— Ядерно-легированный кремний не имеет таких недостатков?

— Именно. При облучении тепловыми нейтронами нелегированного монокристалла, выращенного по технологии БЗП, в ядерном реакторе атомы кремния-30 превращаются в стабильные атомы фосфора, которые однородно распределяются в узлах кристаллической решетки.

У нас появилась реальная возможность с помощью ядерной реакции на тепловых нейтронах создать легирующую примесь непосредственно из атомов легируемого материала. Но от возможности до реализации дистанция оказалась длинной.

— Почему?

— Ядерное легирование успешно исключило недостатки металлургического выращивания. Но возникли трудности другого характера. Вот их-то и нужно было преодолеть. Разработке всех стадий технологического процесса ядерного легирования кремния и посвящены мои научные исследования и технологические проработки.

Технология ядерного легирования кремния облегчила задачу металлургам: от них требуется только вырастить очищенный высокоомный монокристалл. Легирование фосфором с соблюдением высоких требований к электрофизическим параметрам и выходом в годное до 95 % взял на себя ядерный реактор. Но для выращивания монокристалла необходимо иметь полупроводниковый поликремний. В настоящее время в России его не производят.

По запросам промышленности

— Вы говорили, что разными методами получают монокристаллы разного диаметра. Диаметр имеет значение?

— Основной спрос отечественных производителей силовых полупроводниковых приборов — монокристаллы диаметром 60–100 мм. Но электронная промышленность начинает требовать монокристаллы все большего диаметра. Это важно для интегральных схем: чем больше пластина, тем больше на ней можно разместить ячеек.

Мы работаем с монокристаллами диаметром до 84 мм, выращенными по технологии БЗП. В начале 1980-х годов технологию ядерного легирования кремния довели до промышленного применения. Долгое время облучение проводили только на исследовательских реакторах. Позже мы разработали и внедрили технологию для энергетических реакторных установок типа РБМК.

— Где сейчас облучают кремний?

— Во-первых, у нас в институте. С 1983 года на реакторе ВВР-ц действует облучательная установка «Топаз-2», производительность которой мы постепенно довели до 2 т в год. При создании технологической линии с «Топазом-2» были использованы результаты моих исследований и разработок основных стадий технологического процесса ядерного легирования кремния. Речь идет о требованиях к исходному монокристаллическому кремнию, выборе способа и обосновании условий облучения, обеспечивающих однородное распределение легирующей примеси и точное ее введение во всем объеме монокристалла в зависимости от геометрии активной зоны реактора, требованиях к дезактивации поверхностной радиоактивной загрязненности слитков, режимам отжига радиационных дефектов.

Во-вторых, кремний облучают на реакторе РБТ-10/2 в научном институте «Росатома» в Димитровграде. В-третьих, на установке ИРТ-Т в Томском политехническом университете. И наконец, на действующих блоках с реакторами РБМК Ленинградской АЭС.

Мощности в России позволяют ежегодно облучать до 15 т слитков кремния диаметром от 44 до 200 мм с конечными номиналами удельного электрического сопротивления от 30 до 600 ом-сантиметров.

— Есть ли потребность в наращивании производства?

— Безусловно, если верить планам развития электронной промышленности, публикуемым в СМИ. Электромобилям тоже нужен ядерно-легированный кремний. Прогнозируют рост его потребления в связи с ростом выпуска электромобилей с высоковольтной батареей. При напряжении батареи 800 В используются полупроводниковые ключи — IGВТ-транзисторы и IGCT-тиристоры — с рабочим напряжением 1,6 тыс. В и выше. Солнечная, ветровая энергетика также заявляют о растущих потребностях в этом материале. Но основными потребителями остаются линии электропередачи постоянного тока высокого напряжения, силовые приводы с высоким КПД и гибкой работой — электродвигатели электровозов, электромобилей, станков и другой мощной техники. Вообще, полупроводниковые ключи, изготовленные из ядерно-легированного кремния, во многом опередили уровень современной силовой электроники.

Мы проводим модернизацию «Топаза-2», которая позволит облучать слитки кремния большего диаметра и увеличить производительность установки вдвое. Я знаю, что в Димитровграде и Томске созданы новые мощности для облучения слитков кремния диаметром 200 мм. Реакторы РБМК есть не только на Ленинградской, но и на Смоленской и Курской АЭС, их также можно задействовать.

«Годы берут свое»

— Расскажите о вашем отделе. Кто обеспечивает облучение 2 т кремния в год?

— В советские годы при схожем объеме выпуска нас было 18 человек. И было два сектора — производства и разработки новых технологий. Сейчас жизнь заставляет в основном работать на выручку. Сотрудники отдела — опытные, высококвалифицированные. Универсалы, которые наряду с организацией и обеспечением выпуска партий ядерно-легированного кремния непосредственно участвуют в технологических операциях.

Мечтаю, что с ростом объема производства вырастет и отдел. Но самая большая моя мечта — новый реактор, который позволит решать существующие и перспективные задачи. Думаю, что я за этими переменами буду наблюдать уже со стороны.

— На заслуженном отдыхе?

— Да, годы берут свое, с этим надо считаться. Готовлю себе смену. Я стоял у истоков разработки новой отечественной технологии, прошел путь от первых исследований до создания, научно-технологического сопровождения производства ядерно-легированного кремния на нескольких реакторах, до коммерциализации продуктов, и мне важно, чтобы кремниевое направление в НИФХИ и в целом в России продолжало развиваться и вносить вклад в развитие полупроводниковой отрасли.

— Чем думаете заниматься?

— У нас с женой хобби — огород. Сажаем цветы, огурцы, помидоры, перцы, кабачки, тыкву, зелень. С особым желанием выращиваем капусту и картошку. Помогают внуки, их у нас трое.