Космонавтика

Выращивание материалов в космическом вакууме

Отечественные специалисты по космическому материаловедению разработали программу фундаментальных исследований на период до 2010 г. Первым в ее перечне - такое новое направление, как "Исследование синтеза полупроводниковых многослойных эпитаксиальных структур в космическом вакууме за молекулярным экраном".

Головным исполнителем определен Институт физики полупроводников СО РАН. Непосредственно созданием методик и оборудования для реализации данной космической технологии, получившей название "Экран", занимается отдел роста и структуры полупроводниковых кристаллов и пленок под руководством доктора физико-математических наук Олега Пчелякова. Об этом проекте он и рассказал в газете "Наука в Сибири".

Ученый подчеркнул, что развитие полупроводникового материаловедения за последние 25 лет привело к высокоточным и наукоемким технологиям с использованием глубокого и чистого вакуума. Прежде всего к ним относится молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ), связанная с выращиванием монокристаллических тонких пленок и многослойных структур, состоящих из разнообразных химических соединений и твердых растворов с полупроводниковыми, металлическими или изолирующими свойствами.

Данный процесс осуществляют путем нанесения этих пленок с помощью молекулярных и атомных пучков в сверхвысоком вакууме на поверхность полупроводниковой пластины при строгом контроле химического состава, структуры и толщины ее каждого слоя. Такие системы используют как исходный материал для изготовления схем и устройств микро- и оптоэлектроники. Более того, технология МЛЭ в сочетании с современными методами литографии для формирования "рисунка" микросхем (и по аналогии - наносхем) позволила перейти от микронных слоев и линейных размеров отдельных элементов к нанометровым. Отброшены три порядка величины по каждому из трех измерений в пространстве электронного устройства. Вместе с тем происходит качественный прорыв наноэлектроники в крайне высокочастотный диапазон работы передающих и приемных устройств и к сверхминиатюрным схемам электронной памяти большой плотности.

Однако есть 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 на поверхности схемы они превращаются в ее убийц (их называют "киллерами"). При дальнейшей обработке или нанесении следующих слоев эти "киллеры" замыкают электроды и рождают неустранимые дефекты. Поэтому соответствующие современные производственные линии располагают в помещениях, по классу чистоты характеризуемых количеством пылинок, попадающих на поверхность квадратного дюйма за час. В цехах рабочие могут находиться только в специальных "скафандрах", чтобы не стать источниками опасной пыли. Исходя из тенденций дальнейшего развития полностью интегрированных электронных производств предсказывается возможность выхода в космическое пространство с технологиями, связанными с использованием глубокого вакуума.

В настоящее время работы такого рода проводят специалисты лишь США (с 1989 г.) и России (с 1996 г.). Кстати, идея использования молекулярного экрана для получения ультравысокого вакуума в космосе на низких орбитах принадлежит американским ученым. Их расчеты показали: если в космическом пространстве на высоте 200 - 400 км, где летают орбитальные станции, с первой космической скоростью будет двигаться экран - полированный диск из нержавеющей стали, то в его кильватерной области образуется конусный след, практически лишенный вещества. С помощью подобного диска можно получить такое разрежение, что появление одного атома кислорода (O2 - основной компонент газовой среды на высоте орбитального полета космических станций) на площадке в 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 предельное разрежение достигается в сотни и тысячи раз хуже, чем было практически получено в первых американских космических экспериментах с молекулярным экраном.

Вслед за американскими учеными подобными работами стали заниматься и российские. Наибольших успехов достигла группа специалистов из подмосковного Зеленограда во главе с доктором физико-математических наук Евгением Марковым. Со временем к реализации отечественного проекта, получившего название "Экран", подключились и представители Российской космической корпорации "Энергия" им. С. П. Королева (г. Королев, Московская область), Томского государственного университета, Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана, Института кристаллографии им. А. В. Шубникова РАН (Москва) и его филиала в Калуге.

Что же касается приоритета в разработке поднятой проблемы, то оказывается, что еще Аристотель (384 - 322 гг. до н.э.) выразил ее примерно так: "пустота (вакуум) - это есть пространство, которое образуется в следе камня, выпущенного из пращи, правда, она моментально исчезает, поскольку сюда устремляются частицы из окружающего пространства...". Великому греческому мыслителю 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 новейшего способа получения глубокого вакуума!

К сказанному остается добавить: стоимость современных установок для создания и использования сверхвысокого вакуума выражается цифрами в миллионы долларов. В результате реализации отечественного проекта "Экран" планируется строительство орбитальной минифабрики по производству альтернативного подложечного материала с целью получения сложных полупроводниковых соединений и многослойных гетероструктур на поверхности кремниевых пластин большого диаметра в интересах совершенствования интегральной опто-, микро- и наноэлектроники.


Ярослав РЕНЬКАС. Шпак Г. Вакуумные технологии в открытом космосе. - "Наука в Сибири", 2007, N 20 - 21

Информация пол наливной мешок у нас на сайте.
Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD