ОКНА ПРОЗРАЧНОСТИ-2

Три года назад в "НВС" рассказывалось о разработке в Объединенном институте физики полупроводников СО РАН научных основ технологии выращивания пленок КРТ (кадмий—ртуть—теллур) методом молекулярно-лучевой эпитаксии для создания приборов тепловизионной техники (№ 8, февраль 1999 г.). Очерк назывался "Окна прозрачности".

Г.Шпак
"НВС"

В названии отражены, как говорится, наука и жизнь и некая метафора. Структуры КРТ можно вырастить чувствительными к любой длине волны, и на основе этого базового материала создавать фотоприемники с высокой квантовой эффективностью. А так называемые окна прозрачности, существующие в атмосфере, используются для того, чтобы атмосфера не мешала формированию изображения объекта и его наблюдению.

Тепловизионная техника с использованием фотоприемников инфракрасного (ИК)-диапазона на длины волн 3-12 микрометров, требуется в медицине, сельском хозяйстве, химической промышленности, металлургии черных и цветных металлов, топливодобывающей промышленности и других областях, в том числе оборонных.

Специалисты выделяют в гамме материалов для изготовления ИК-фотоприемников именно твердые растворы на основе ртуть—кадмий—теллур (КРТ). Это обусловлено физическими свойствами твердого раствора (возможностью изменения ширины запрещенной зоны КРТ в широких пределах и высокой квантовой эффективностью в диапазоне перекрываемых длин волн), а также и успехами в развиваемых технологиях выращивания структур. Технология КРТ за последние 20 лет развилась от изготовления относительно небольших (диаметром < 10 мм) объемных многозеренных слитков до больших (до 75 мм диаметром) эпитаксиальных слоев на сложных подложках. Широкое производство и использование фотоприемников на основе КРТ сдерживается до сих пор высокой ценой материала, составляющей до 1000 долларов за квадратный сантиметр эпитаксиальной пленки или грамм объемного материала с высокими параметрами. А для новых приборов необходимо создавать линейки и матрицы фотоприемников с большим числом элементов.

Поэтому к технологии узкозонного материала КРТ предъявляются чрезвычайно жесткие требования — она должна обеспечивать приготовление пластин материала большой площади с высокой однородностью свойств и с невысокой стоимостью. Электрофизические свойства твердых растворов КРТ в значительной степени определяются собственными точечными дефектами и остаточными примесями, связанными с методом выращивания. Для КРТ свойственна высокая скорость диффузии точечных дефектов при повышенных температурах. Поэтому необходима — по возможности — низкая температура выращивания. Этим требованиям в наибольшей степени отвечают эпитаксиальные методы выращивания пленок.

Новая технология и созданное оборудование расцениваются специалистами как национальное достояние. В очерке отмечалось также, что теперь в России возможно производство основного материала нового поколения для фотоприемников различного назначения без использования научно-технических разработок и оборудования зарубежных фирм.

В 1999 году уже был построен специальный корпус для производства КРТ. Тогда с большим трудом удалось подготовить помещения для монтажа технологического оборудования. И с производственной многокамерной установкой пришлось основательно поработать. Требовалось выращивать пленки КРТ по определенной технологической документации. Параметры пленок должны соответствовать техническим условиям, согласованным с заводами, производящими тепловизионные приборы.

Зав.лабораторией Ю.Сидоров

За три года, что мы не виделись с Юрием Георгиевичем Сидоровым, в его лаборатории произошли большие изменения. В первую очередь эти изменения связаны со сдачей в эксплуатацию новых площадей, предназначенных для промышленного производства эпитаксиальных структур КРТ.

В отчете за 2001 год заведующий лабораторией N 15 доктор физико-математических наук Ю.Сидоров выделил это событие первым номером: "Произведено укомплектование, запуск и сдача в эксплуатацию технологического комплекса для производства гетероэпитаксиальных структур кадмий—ртуть—теллур методом молекулярно-лучевой эпитаксии (ГЭС КРТ МЛЭ) для перспективных тепловизионных приборов. Работа ведется в рамках ОКР "Продукт"...

Любопытно было изнутри увидеть этот "продукт". Напомню, что трехэтажное здание, пристроенное к административному корпусу института, было специально спроектировано для размещения в нем технологических линеек по производству ртутьсодержащих материалов. На первом этаже в просторном технологическом зале разместилась новая установка молекулярно-лучевой эпитаксии для производства ГЭС КРТ. По традиции эта установка называется "Обь-М". Буква "М" в названии означает — "модернизированная". При ее создании учитывался огромный опыт, накопленный в лаборатории. "Обь-М" предназначена для серийного производства материала и рассчитана на круглосуточную работу.

Общий вид установки для молекулярно-лучевой эпитакции КРТ

Гетероэпитаксиальные структуры КРТ — это не только рост кристаллов в вакууме, но и сопутствующие операции, без которых немыслимо высокотехнологичное производство. Понимая, что без развитой инфраструктуры ритмичная работа невозможна, коллектив лаборатории развивает и совершенствует высоковакуумные установки и весь технологический цикл. Уже оборудован участок химического травления. Юрий Георгиевич не без гордости показывал установку по получению сверхвысокочистой воды французской фирмы "Миллипор". Во всем комплексе "Миллипор" — единственная (исключая персональные компьютеры) система зарубежного производства. Но "Миллипор" — это ведь признанный во всем мире лидер, который имеет представительства и во многих городах России. В данном случае изобретать свой "велосипед" не имело смысла.

Научный сотрудник И.Сабинина проводит контроль выращенных структур

На двух этажах здания разместился участок паспортизации уже готовых структур. По этому поводу Юрий Георгиевич пошутил: "Гетероэпитаксиальная структура МЛЭ КРТ — это как породистый щенок, она никому не нужна без сопроводительных документов, в которых записана вся подноготная". Вот и приходится, прежде чем передать материал производителям приборов, тщательно измерять толщину и состав выращенной пленки, определять однородность распределения состава по поверхности "шайбы", то есть — пластины, измерять электрофизические параметры. Но заказчики — люди капризные, их не всегда устраивает то, что получается на выходе из ростовой установки. Важно не только уметь вырастить совершенные слои, но и трансформировать их свойства по желанию клиента. Для этого существуют печи для отжига ГЭС КРТ МЛЭ и установка анодного оксидирования (оборудование уже вводится в строй).

Конечная цель всех проводимых работ — создание на базе Института физики полупроводников серийного производства материалов для тепловизионной техники. Такое производство будет обеспечивать не только производителей приборов в самом институте, но покроет потребности всей России.

Ведущий инженер-технолог В.Карташев

Думают в лаборатории и о дальнейшем развитии своей уникальной технологии. Большие перспективы открывает переход от бинарных подложек на кремниевые. Разработка технологии роста КРТ на кремниевых подложках — задача очень сложная. Нельзя просто механически поменять одну подложку на другую. Для получения новых гетероэпитаксиальных структур необходимо решить множество физических и технологических задач. Для решения этих задач старая установка "Обь" полностью переориентирована на кремниевую технологию. В лаборатории отдельная группа научных сотрудников разрабатывает, как говорится, задел на будущее. Кроме того, начато создание новой установки для серийного производства гетероэпитаксиальных структур КРТ на кремнии, которая со временем разместится в новом здании.

Разработки будущего входят составной частью в большой проект федерального значения "Физика твердотельных наноструктур", который курирует академик Ж.Алферов (Министерство промышленности, науки и технологии). Часть исследований выделена, как "Разработка физико-технологических основ выращивания гетероструктур КРТ на кремнии методом МЛЭ".

Начальник установки ведущий инженер-технолог Н.Михайлов и студент-магистрант НГУ Р.Смирнов

Для решения возросшего числа научных и производственных задач тот коллектив лаборатории, который сформировался в середине 90-х годов, оказался маловат. За последнее время количество сотрудников возросло почти в два раза. Особенно приятно, что после долгого перерыва в лабораторию снова стали проходить практику студенты, и не один-два, а сразу пятеро молодых людей из НГУ и Новосибирского технического университета постигают тайны физики полупроводников на примере МЛЭ КРТ. И не просто учатся, а хотят связать свою дальнейшую судьбу с изучением физики полупроводников.

Понятно, что увеличение количества сотрудников, расширение числа научных задач, создание нового оборудования невозможно без увеличения объемов финансирования. В последнее время ситуация с финансированием науки стала выправляться. По мере стабилизации экономической ситуации в стране, объем госзаказа на развитие наукоемких технологий стал возрастать. Сейчас для производителей КРТ начинают просматриваться определенные экономические перспективы.