Кремний — главный материал для производства приборов в электронике. Из него изготавливают транзисторы, фотоэлементы, интегральные схемы, диоды и так далее. Чтобы кремний работал наиболее эффективно, его легируют в ядерном реакторе. На начальном этапе — это кристаллические слитки диаметром от 30 до 200 миллиметров, которые потом нарезают на тонкие пластины.
В Томском политехе, на единственном действующем вузовском ядреном реакторе в стране, теперь могут легировать слитки кремния предельного размера — диаметром больше 200 миллиметров. Они пойдут на производство очень мощных электроприборов.
Зачем облучать кремний
Легирование — это процесс, при котором в вещество вводятся атомы других веществ, чтобы изменить или улучшить его свойства. А ядерное легирование означает, что эти добавки появились в результате облучения материла.
В данном случае исходный материал — цилиндрические слитки сверхчистого монокристаллического кремния. После предварительной обработки слитки кремния упаковываются в контейнеры и загружаются в экспериментальный канал в активной зоне реактора. Там под воздействием потока нейтронов в кремнии появляются равномерные вкрапления атомов фосфора. Эти вкрапления позволяют достичь необходимых электрических характеристик для производства полупроводниковых приборов. После извлечения из активной зоны реактора слитки кремния дополнительно «запекают» в специальной печи при температуре около 800 градусов Цельсия. Это необходимо, чтобы атомы кремния встали на нужные места после облучения. Готовый кремний отправляется заказчику также в виде слитков. Уже на производстве слитки нарезают на тонкие пластинки и вырезают из них фрагменты нужного размера.
Как это происходит в Томском политехе
На реакторе ТПУ уже давно легируют кремний диаметром до 128 миллиметров. Вуз обеспечивает им всех российских производителей полупроводниковой продукции, а также некоторых зарубежных заказчиков. Это почти 5 % от всего объема ядерно-легированного кремния в мире.
В этом году реактор отметил уже 55 лет с момента первого пуска. В юбилейный год на нем запустили первый в России комплекс для легирования кремния диаметром более 200 миллиметров. Таких комплексов всего несколько в мире.
Новый комплекс включает в себя непосредственно установку для облучения длиной в девять метров, большая ее часть скрыта под водой бассейна реактора. Также в него входят нейтронные фильтры, контейнеры для кремния, комплекс оборудования в сопутствующих помещениях, например, новая печь для послереакторной обработки слитков. Промышленной эксплуатации комплекса предшествовала серьезная расчетная, подготовительная работа в течение нескольких лет, в том числе два года опытной эксплуатации.
Общая стоимость комплекса — чуть больше 50 миллионов рублей. Это средства федерального бюджета, в частности, в рамках Федеральной целевой программы, а также собственные средства ТПУ.
Точный размер слитков кремния, которые можно облучать с помощью новой установки, — 203 миллиметра или 8 дюймов. С помощью нового комплекса можно будет облучать до 4 тонн кремния в год. Интерес к новому продукту уже проявляют российские и китайские производители полупроводников.