ВАКУУМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
В ОТКРЫТОМ КОСМОСЕ
В российском космическом материаловедении закончился период формирования направлений исследований на следующее десятилетие и строго мотивированного, научно обоснованного выбора наиболее важных и экономически выгодных программ. В секции космического материаловедения Совета по космосу РАН, которой руководит академик Юрий Осипьян, отработан четкий механизм рецензирования и отбора проектов. В минувшем году была сформирована программа фундаментальных исследований по космическому материаловедению на период до 2010 года.
 |
|
Первым в списке этой программы названо возникшее совсем недавно новое направление, сформулированное так: «Исследование синтеза полупроводниковых многослойных эпитаксиальных структур в космическом вакууме за молекулярным экраном». Головным исполнителем этих исследований определен Институт физики полупроводников Сибирского отделения РАН. Здесь, в отделе роста и структуры полупроводниковых кристаллов и пленок под руководством лауреата Государственной премии России, доктора физико-математических наук Олега Пчелякова второй год проводятся работы по созданию методик и оборудования для реализации новой космической технологии. Эта технология основана на результатах многолетних исследований процессов роста тонких полупроводниковых пленок, проводимых сотрудниками отдела, и развиваемых ими сверхвысоковакуумных методов выращивания кристаллических пленок из атомных и молекулярных пучков.
По просьбе корреспондента «НВС» Галины ШПАК о российской космической программе «Экран» и вакуумных технологиях в космосе рассказывает руководитель исследований Олег ПЧЕЛЯКОВ.
Прорыв
Развитие полупроводникового материаловедения за последние 25 лет привело к новым высокоточным и наукоемким технологиям с использованием глубокого и чистого вакуума. К таким технологиям, в первую очередь, относится молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ). Она связана с выращиванием монокристаллических тонких пленок и многослойных структур, состоящих из разнообразных химических соединений и твердых растворов с полупроводниковыми, металлическими или изолирующими свойствами. Выращивание производится путем нанесения тонких пленок этих материалов с помощью молекулярных и атомных пучков в сверхвысоком вакууме на поверхность полупроводниковой пластины при строгом контроле химического состава, структуры и толщины каждого слоя в процессе его нанесения. Появившаяся в начале семидесятых годов, эта технология прочно заняла лидирующие позиции в арсенале средств для получения сложных тонкопленочных кристаллических композиций с ультратонкими слоями. Такие системы, выращенные на поверхности полупроводниковых пластин, используются как исходный материал для изготовления многих приборов, интегральных схем и устройств микро- и оптоэлектроники.
 |
Макет космической установки «Экран». В настоящее время демонстрируется на постоянно действующей выставке СО РАН.
|
Развитие методов и аппаратуры для реализации этой технологии приводит к настоящей революции в микроэлектронике. Она даже меняет свое название — становится наноэлектроникой. Ведь технология МЛЭ в сочетании с современными методами литографии для формирования «рисунка» микросхем (и по аналогии — «наносхем») позволила перейти от микронных толщин слоев и линейных размеров отдельных элементов к нанометровым. Отброшены три порядка величины по каждому из трех измерений в пространстве электронного устройства. Вместе с этим происходит качественный прорыв наноэлектроники в крайне высокочастотный диапазон работы передающих и приемных устройств и к сверхминиатюрным схемам электронной памяти большой плотности.
Однако существуют препятствия на пути уменьшения размеров и увеличения числа элементов в интегральных схемах. Если в ходе технологического процесса в окружающем пластину с наносхемами пространстве существуют посторонние частицы, размеры которых превышают величину элементов, то при попадании на поверхность схемы такие частицы превращаются в ее убийц (их так и называют — частицы-«киллеры»). При последующей обработке или при нанесении следующих слоев эти частицы замыкают электроды или превращаются в неустранимые дефекты. Современные производственные линии располагают в специальных чистых помещениях, которые по классу чистоты так и характеризуются — количеством пылинок, попадающих на поверхность квадратного дюйма за час. В помещениях класса «10» или даже «1» рабочие могут находиться только в специальных «скафандрах», чтобы не стать источниками опасной пыли. При получении все более плотно упакованных структур резко растут требования к глубине вакуума и чистоте жидких и газообразных сред, окружающих полупроводниковые пластины в процессе их обработки. Ограничительные требования и, как следствие, стоимость производства становятся непомерными. Даже для такого выгодного бизнеса, как микроэлектроника, подобный рост себестоимости производства становится «не по карману».
В современных и, прямо скажем, пророческих обзорных работах таких известных отечественных специалистов в области технологии микроэлектроники, как академик К. Валиев и профессор А. Орликовский, на основе детального анализа тенденций развития полностью интегрированных электронных производств, предсказывается неизбежность выхода в космическое пространство электронных технологий, связанных с использованием глубокого вакуума. И теперь становится ясно, что осталось не так долго ждать, когда произойдет этот прорыв.
Теперь это уже история
Анализ информации, имеющейся в открытой печати и в сети Интернет, показывает, что работы с использованием космического вакуума проводятся в настоящее время только в двух странах — США и России. Работы по американскому проекту инициированы в 1989 году Центром эпитаксии в космическом вакууме (Университет Хьюстона), а у нас начаты в 1996 году отделом молекулярной эпитаксии в рамках программы фундаментальных космических исследований «Эпитаксия».
— Еще в 1987 году во Франкфурте-на-Одере, где проходила одна из конференций по молекулярной эпитаксии, — вспоминает О. Пчеляков, — нашу делегацию возглавлял профессор Сергей Иванович Стенин, ныне покойный. Он был основателем и душой нашего отдела и все, что достигнуто нами в науке и технологии, так или иначе связано с его именем. В кулуарах обсуждалась идея переноса установки МЛЭ в космос. Тогда уже было известно, что с помощью так называемого «молекулярного экрана» можно получить сверхглубокий вакуум. И все же идея МЛЭ в космосе обсуждалась во Франкфурте скорее как фантастическая, чем технологическая. Мне не могло даже прийти в голову, что всего через десять лет я всерьез займусь работами по созданию новой космической технологии в России.
Через два года после этой конференции, как теперь становится ясно, в США идея выноса вакуумных технологий в космос стала осуществляться. А несколько лет назад в Университете Хьюстона уже были начаты космические эксперименты, подтверждающие своими результатами справедливость наших выводов и перспективность проведения процесса МЛЭ в космосе. Эти работы были направлены на преодоление принципиальных ограничений традиционных вакуумных технологических процессов в наземных условиях. Для этого использовались физические факторы открытого космического пространства, приводящие к почти бесконечной скорости откачки всех компонентов газовой среды, включая инертные газы. Особенно яркий эффект дает использование того самого «молекулярного экрана», с помощью которого, как показывают расчеты и результаты первых экспериментов, возможно получение такого разрежения газовой среды, которое не может быть в принципе достигнуто в наземных условиях.
Напомню, что первый российский проект по использованию молекулярного экрана был сформулирован вслед за американцами группой ученых из Зеленограда, занимавшихся проблемами роста полупроводниковых кристаллов в космосе, во главе с доктором наук Евгением Васильевичем Марковым. Правда, проект подвергался серьезной критике, но многие его положения вошли в современный вариант проекта «Экран». Мы второй год сотрудничаем с этой группой, работающей в НИИ «Научный центр» (г. Зеленоград), и со специалистами РКК «Энергия» (г. Королев). Совместно с ними подготовлен новый проект и научно-техническое обоснование для проведения экспериментов по эпитаксии полупроводниковых соединений на кремниевых подложках в условиях космического пространства за молекулярным экраном. В реализации проекта, возможно, будет принимать участие еще несколько организаций и предприятий. Уже подключаются сотрудники кафедры физики полупроводников Томского государственного университета, МГТУ им. Н. Э. Баумана (г. Москва), Института кристаллографии РАН и его филиала в Калуге.
Первое крещение проект получил во время международной конференции по космическому материаловедению в июне 1997 года, называлась она «Физические науки в невесомости». Представительный научный форум собрал более 300 ученых из многих стран мира. Я сделал доклад от имени 11 соавторов из трех организаций. После доклада ученый секретарь секции космического материаловедения Борис Захаров поздравил нас с успехом. Очень хорошо оценили доклад ведущие специалисты по росту кристаллов в космосе — профессор Александр Чернов, директор лаборатории по росту кристаллов в космосе Центра Маршалла (США), профессор Михаил Мельвидский, руководитель российской космической программы по росту кристаллов, и профессор Татау Нишинага (Япония), президент международной ассоциации по росту кристаллов и официальный консультант американской программы «Спейс-шаттл» по росту кристаллов в космосе. Горжусь, что Т. Нишинага, с которым я лично знаком уже более десяти лет, согласился быть научным консультантом и нашей программы. Его анализ и советы порадовали меня глубиной понимания проблем и живой заинтересованностью. В дискуссиях в кулуарах, после обсуждения деталей проекта с коллегами, я понял — наш проект будет жить.
Эффект молекулярного экрана
Идея использования молекулярного экрана для получения ультравысокого вакуума в космосе на низких орбитах принадлежит американским ученым. Вероятно, первым был Р. Н. Костоф (1970), который описал существо идеи. Затем про нее забыли, и только в 1976 году Л. Мелфи с соавторами без ссылок на Р. Н. Костофа провел теоретический анализ состояния газовой среды вокруг летящего в пространстве полусферического экрана и сформулировал концепцию орбитальной лаборатории со сверхразреженной средой. Эта работа проводилась при поддержке НАСА. Расчеты авторов показали, что если в космическом пространстве на высоте 200-400 км,
там, где летают орбитальные станции, будет с первой космической скоростью двигаться экран — полированный диск из нержавеющей стали, то в его кильватерной области образуется конусный след, практически лишенный вещества. С помощью молекулярного экрана можно получить такое разрежение, что появление одного атома кислорода (кислород — основной компонент газовой среды на высоте орбитального полета космических станций) на площадке в один квадратный дециметр придется ожидать миллион лет. Все давление за экраном будет определяться атомами гелия и водорода, источником которых является Солнце, а также веществом, испаряющимся с поверхности самого экрана. Для сравнения: в наземных сверхвысоковакуумных технологических установках с криогенными насосами достигается предельное разрежение в сотни и тысячи раз хуже, чем было практически получено в первых американских космических экспериментах с молекулярным экраном.
Интересен вопрос: когда была высказана впервые и кому первому принадлежит идея получения вакуума в кильватерной области летящего с большой скоростью предмета? Наверняка не в 1970 году, и не американцы были здесь первыми. В книге ныне покойного профессора Михаила Васильевича Терентьева «Об истории и развитии понятия физического вакуума» вносится неожиданная ясность. Оказывается, в IV веке до нашей эры Аристотель примерно так выразил данную идею: «Пустота (вакуум) — это есть пространство, которое образуется в следе камня выпущенного из пращи, правда, она моментально исчезает, поскольку сюда устремляются частицы из окружающего пространства…». Аристотелю надо было только закончить эту мысль: «…и если мы разгоним камень до скорости, сравнимой со скоростью всех частиц окружающей среды, то за ним в полете всегда будет существовать абсолютно пустое пространство», и тогда можно было бы считать его автором нового способа получения сверхглубокого вакуума!
Вся история вакуумной техники и технологий с ней связанных состоит из непрерывной и тяжелой борьбы за сверхвысокий и чистый космический вакуум в тесных и жестких рамках наземных условий. Каждый новый успех в этой области достигнут человеком вопреки земной природе, которая так боится пустоты. Стоимость современных установок для получения и использования сверхвысокого вакуума достигает величин в миллионы долларов. А эксплуатация подобных систем обходится тем дороже, чем более глубоким является получаемый вакуум, чем больше расходуется энергии, а также жидких гелия и азота для его получения. Наша страна после развала собственной вакуумной промышленности покупает такие установки только за рубежом. При покупке каждой установки обычно составляется бизнес-план, и покупатель рассчитывает получить положительный экономический эффект. Средств, затраченных на приобретение только нескольких таких установок, хватило бы на реализацию всего проекта «Экран». А поддается ли оценке сумма денег, затраченных на разработку наземных средств получения сверхвысокого вакуума?
В результате реализации проекта планируется создание орбитальной минифабрики по производству альтернативного подложечного материала для получения сложных полупроводниковых соединений и многослойных гетероструктур на поверхности кремниевых пластин большого диаметра для нужд интегральной опто-, микро- и наноэлектроники. Подобная цель для работы с использованием факторов космического пространства ранее не ставилась и сформулирована впервые.
Фото В. Новикова
и В. Бякина
стр. 11
|
