ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА В НАГРЕВАТЕЛЬНОМ УСТРОЙСТВЕ ДЛЯ ТЕРМОМИГРАЦИИ ЖИДКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ В КРЕМНИИ
Аннотация
Жидкие включения мигрируют в твёрдых телах в направлении градиента темпера-
туры. Это даёт уникальную возможность формировать в пластинах кремния кристалли-
чески совершенные структуры со сквозными легированными эпитаксиальными каналами
или замкнутыми ячейками, представляющими интерес при конструировании силовых полу-
проводниковых приборов и фотоэлектрических преобразователей. Причем конкурентных
методов изготовления таких структур нет, поскольку скорость термомиграции на четы-
ре порядка превышает скорость твердотельной диффузии. Однако практическое приме-
нение метода термомиграции (ТМ) в полупроводниковой электронике сдерживается нерешённой проблемой создания необходимого однородного поля градиента температуры в пла-
стине кремния. Нарушение однородности градиента температуры приводит к отклонению
траекторий движения дискретных жидких включений от нормали, искажает заданную топо-
логию включений на стартовой поверхности пластины и делает невозможным применение
групповой технологии для последующих операций изготовления приборов. В настоящей работе
выполнено компьютерное моделирование процессов теплообмена в нагревательном устройстве
с целью достижения в пластине кремния однородного поля градиента температуры, создавае-
мого плоским резистивным нагревательным элементом в виде спирали. Выявлены причины воз-
никновения периодических и монотонных радиальных неоднородностей поля градиента темпе-
ратуры, искажающих траектории движения жидких включений и форму получаемых каналов.
Предложены способы уменьшения и устранения этих искажений. Основными элементами
управления конфигурацией поля градиента температуры в пластине кремния оказались кассе-
та, удерживающая пластину на определённом расстоянии от нагревательного элемента и
фронтальные экраны с отверстиями, соосными пластине кремния. Определены и эксперимен-
тально подтверждены размеры, взаимное расположение элементов нагревательного устрой-
ства, обеспечивающего требуемую однородность поля градиента температуры для промыш-
ленного применения термомиграции системы линейных включений (зон) на пластинах кремния
диаметром 100 мм.
Литература
2. Lozovskiy V.N., Lunin L.S., Popov V.P. Zonnaya perekristallizatsiya gradientom temperatury
poluprovodnikovykh materialov [Zone recrystallization by temperature gradient of semiconductor
materials]. Moscow: Metallurgiya, 1987, 232 p.
3. Anthony T.R., Boah J.K., Chang M.F., Cline H.E. Thermomigration processing of isolation
grids in power structures, IEEE Transactions on Electron Devices, 1976, Vol. 23, No. 8,
pp. 818-823.
4. Chang M., Kennedy R. The Application of Temperature Gradient Zone Melting to Silicon
Wafer Processing, Journal Electrochem Soc., 1981, Vol. 128, No. 10, pp. 2193-2198.
5. Cline H.E. and Anthony T.R. High speed droplet migration silicon, Journal of Applied Physics,
1976, Vol. 47, No. 10, pp. 2325-2331.
6. Cline H.E. and Anthony T.R. Thermomigration of aluminiam-rich liquid wires through silicon,
Journal Appl. Phys., 1976, Vol. 47, No. 6, pp. 2332-2336.
7. Cline H.E. and Anthony T.R. On the thermomigration of liquid wires, Journal of Applied Physics,
1978, Vol. 479, No. 5, pp. 2777-2786.
8. Polukhin A.S., Zueva T.K., Solodovnik A.I. Ispol'zovanie termomigratsii v tekhnologii struktur
silovykh poluprovodnikovykh priborov [The use of thermal migration in the technology of
structures of power semiconductor devices], Silovaya elektronika [Power Electronics], 2006,
Vol. 3 (9), pp. 110-112.
9. Polukhin A.S. Termomigratsiya neorientirovannykh lineynykh zon v kremnievykh plastinakh
(100) dlya proizvodstva chipov silovykh poluprovodnikovykh priborov [Thermomigration of
unoriented linear zones in silicon wafers (100) for the production of power semiconductor device
chips], Komponenty i tekhnologii [Components and Technologies], 2008, Vol. 11, pp. 97-100.
10. Polukhin A.S. Analiz tekhnologicheskikh faktorov protsessa termomigratsii [Analysis of technological
factors of the thermomigration process], Silovaya elektronika [Power Electronics],
2013, Vol. 5 (9), pp. 118-120.
11. Lozovskiy V.N., Seredin B.M., Polukhin A.S., Solodovnik A.I. Oborudovanie dlya polucheniya
kremnievykh struktur metodom termomigratsii [Equipment for producing silicon structures by
thermomigration], Elektronnaya tekhnika. Seriya 2: Poluprovodnikovye pribory [Electronic
technology. Series 2: Semiconductor devices], 2015, No. 5 (239), pp. 65-76.
12. Polukhіn O.S. Vikoristannya termomіgratsії v tekhnologії silovikh napіvprovіdnikovikh
priladіv [Vicious thermomigration in the technology of power conductor devices],
Radіoelektronіka, іnformatika, upravlіnnya [Radioelectronics, informatics, control], 2018,
No. 3, pp. 16-24.
13. Polukhin O.S., Kravchina V.V. Thermomigration of non-oriented aluminium-rich liquid zones
through (110) silicon wafers, Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2021,
No. 5-6, pp. 33-40.
14. Cline H.E., Anthony T.R. Patent 4087239 United States, Int. C1.2 F27B 9/14. Apparatus for
imparting combined centrosymmetric and noncentro-symmetric rotation to semiconductor
bodies. No.: 733239. May 2, 1978.
15. Roger H. Brown, Kuen Chow, Norman W. Goodwin, Jan Grinberg. Patent 4523067 United
States, Int. C1.3 H05B 6/10. Temperature gradient zone melting apparatus. No.: 366901. June
11, 1985.
16. Morillon В. Etude de la thermomigration de l’aluminium dans le silicium pour la réalisation
industrielle de murs d’isolation dans les composants de puissance bidirectionnels, Micro et
nanotech nologies/Microélectronique. INSA de Toulouse, 2002. Français.
17. Bin Lu. Realisation De Peripheries Innovantes De TRIAC Par Thermomigration D’aluminium
Et Insertion De Silicium Poreux. Univerite Froacois Rabelais De Tours, 2017
18. Lomov A.A., Seredin B.M., Gavrus I.V., Martyushov S.Yu. Aluminum doped thermomigrated
silicon channels for high voltage solar cell: Structure and electrical properties, Proc. SPIE
12157, International Conference on Micro- and Nano-Electronics, 2021, pp 1215703.
19. Ansys. Available at: https://www.ansys.com.
20. Sheludyak Yu.E., Kashporov L.Ya., Malinin L.A., TSalkov V.N. Teplofizicheskie svoystva
komponentov goryuchikh sistem: Spravochnik [Thermophysical properties of components of
combustible systems: Handbook], ed. by N.A. Silina; NPO "Inform TEI". Moscow, 1992, 92 p.
21. Vigdorovich V.N., Gershanov V.Yu., Konstantinova G.S., Lozovskiy V.N., Popov V.P. Zonnaya
plavka s gradientom temperatury kak metod fizicheskikh issledovaniy [Zone melting with a
temperature gradient as a method of physical research], Zavodskaya laboratoriya [Factory Laboratory],
1970, No. 11, pp. 1350-1364.
