ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 6, с. 67-74
УДК 523.68:621.315.3
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВАКУУМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ: ИСТОРИЯ, СОСТОЯНИЕ,
ПЕРСПЕКТИВЫ
© 2004 г. О. П. Пчеляков1, В. В. Блинов1, А. И. Никифоров1, Л. В. Соколов1, Л. Л. Зворыкин2, А. И. Иванов2, В. В. Тесленко2, И. В. Чурило2, А. А. Загребельный3
1Институт физики полупроводников СО РАН, Новосибирск, Россия 2РКК "Энергия" им. С П. Королева, Королев, Россия 3ИЭС им. Е.О. Патона, Киев, Украина Поступила в редакцию 10.10.2003 г.
Рассмотрены предпосылки, примеры реализации и перспективы синтеза многослойных полупроводниковых композиций из молекулярных пучков в условиях орбитального полета космических аппаратов. Показаны преимущества проведения технологического процесса в глубоком вакууме, образующемся в результате проявления эффекта молекулярного экрана, для получения новых тонкопленочных материалов с уникальными свойствами. Описан наземный имитатор космического модуля и действующий макет молекулярного экрана. Обсуждаются особенности эскизного проекта универсальной автоматизированной установки МЛЭ.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений космического полупроводникового материаловедения является разработка наукоемких технологий, связанных с использованием глубокого вакуума, образующегося в открытом космосе вблизи орбитальных станций при использовании эффекта "молекулярного экрана". К таким технологиям в первую очередь относится молеку-лярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) с тигельными и газовыми источниками молекулярных пучков. Промышленная реализация метода МЛЭ убедительно показала, что он является лучшим методом получения многослойных эпитаксиальных структур с гладкостью границ на атомарном уровне, прецизионно заданной толщиной слоев, составом и профилем легирования.
Работы по созданию специализированной технологической установки МЛЭ для эксплуатации в кильватерной области молекулярного защитного экрана (МЗЭ) в условиях орбитального полета космических аппаратов направлены на преодоление физических ограничений наземных вакуумных технологий. Эти ограничения связаны с высокой сложностью дальнейшего улучшения достигнутых на сегодняшний день в наземных установках предельных параметров откачных средств и чистоты вакуумной среды. Кроме того, в сравнительно небольших по размерам наземных вакуумных объемах неизбежно влияние эффекта накопления распыляемых материалов и примесей на развитой поверхности стенок и вакуумной оснастки. Неконтролируемое реиспарение
этих материалов в процессе эпитаксии делает невозможным решение таких важных проблем, как получение особочистых, высокосовершенных и однородных по площади многослойных гетеро-структур с резкими межслоевыми границами на основе полупроводниковых соединений типа А4В4, А3В5 и А2В6. На кремниевых пластинах большого диаметра такие эпитаксиальные структуры могли бы сыграть роль альтернативных универсальных подложек для получения широкого круга гетероструктур для приборов оптоэлек-троники, микро- и наноэлектроники. Разработка и реализация этого нового поколения полупроводниковых структур методом молекулярно-лу-чевой эпитаксии приведет к изменениям всей элементной базы отечественной электроники. На основе таких структур предполагается также изготавливать изделия полупроводниковой техники, в том числе - для высокоэффективных преобразователей солнечной энергии и термофотоэлектрических генераторов.
ОСНОВНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Как показывает анализ работ, опубликованных в научной печати и в сети Интернет, данная проблема полупроводникового материаловедения, связанная с выносом высоковакуумных технологий в открытое космическое пространство, имеет как фундаментальный, так и прикладной характер. Ее решение определит прогресс не только в изучении процессов получения тонко-
67
5*
пленочных кристаллических покрытий и многослойных гетероструктур при их выращивании из молекулярных пучков в сверхглубоком вакууме, но и в развитии технологической базы и интегрированных производств полупроводниковой электроники XXI века [8]. В настоящее время подобные работы ведутся только в CШA и в России. Исследования CШA были инициированы в 1989 году Центром эпитаксии в космическом вакууме (Университет г. Хьюстон). В России они были начаты в 1996 году отделом молекулярной эпитаксии Института физики полупроводников СО PAH в сотрудничестве с PKK "Энергия" им. С.П. ^ролева и НИИ "Научный центр" в рамках программы "Эпитаксия и проекта "Экран".
Идея использования молекулярного экрана для получения ультравысокого вакуума на низких орбитах принадлежит американским ученым, которые при поддержке HACA провели теоретический анализ состояния газовой среды вокруг летящего в пространстве полусферического экрана [1, 2] и сформулировали концепцию орбитальной лаборатории со сверхразреженной средой [3]. Следует также отметить, что агентством HACA еще в 80-е годы в рамках программы SPACELAB планировалась разработка восьми установок многоразового использования для получения новых материалов в космосе, и среди них был "молекулярный экран". Однако отсутствие в то время интереса к этому устройству со стороны представителей промышленности привело к исключению данной работы из пятилетнего плана HACA на 1980-1984 гг.
Вновь эта идея была предложена для проведения экспериментов по молекулярно-лучевой эпитаксии A. Игнатьевым и Ц.В. Чу (A. Ignatiev, C.W. Chu) в 1985 году. В 1988 году при Университете в Хьюстоне был открыт Центр по эпитаксии в космосе, и в 1989 году началась реализация программы этих исследований. В рамках программы "Wake Shield Facility" (WSF) после четырехлетнего периода наземных исследований в 1994-1996 годах были осуществлены первые эксперименты в космосе по синтезу эпитаксиальных структур на основе арсенида галлия [4, 5]. В прошлые годы государственные субсидии в каждый из этапов проекта WSF составляли около 15 миллионов долларов. С 1999 года к финансированию этой программы подключилась коммерческая компания SPACELAB, которая вложила 275 миллионов долларов в космические проекты, обещающие прибыль. В 2000 году в расширение Центра по эпитаксии в космосе (Хьюстон) вложен более 15 миллионов долларов [6]. На этот раз запланировано использование установки нового поколения с большой производительностью для приборной реализации эпитаксиальных структур в наземных условиях. ^нечной целью этой программы является создание к 2005 году минифабрики на орбите по полу-
чению полупроводниковых эпитаксиальных пленок с рекордными характеристиками для приборов оптоэлектроники, микро- и наноэлектроники. Производительность такой установки предполагается довести до 3500 пластин в год, что обеспечит производство около 10 миллионов приборных структур. За этот период на орбиту и обратно будет доставлено всего 100 кг груза.
В основе коммерциализации проекта заложена высокая производительность установки, качество и воспроизводимость параметров структур при их индивидуальной обработке. Расчеты А. Игнатьева показывают, что производство приборных структур в космосе окупит затраты на транспортировку материалов и даст прибыль. Кроме того, придается большое значение возможности проведения уникальных материаловедческих исследований с использованием автоматизированной установки МЛЭ в условиях чистого сверхглубокого вакуума в космосе для разработки новых сверхчистых материалов.
Результаты первых экспериментов проекта WSF и принятая программа дальнейших работ по промышленному производству эпитаксиальных материалов в космосе подтверждают перспективность развития этой новой космической технологии полупроводникового материаловедения.
ОСОБЕННОСТИ РОССИЙСКОГО ПРОЕКТА
В 1996 году нами были начаты работы по проекту "Эпитаксия гетероструктур на Si в условиях космоса" (шифр "Эпитаксия"). Основной задачей этого проекта является научно-техническое обоснование и наземная отработка программы и методик полетных экспериментов по получению гетероструктур для альтернативных подложек, содержащих тонкие слои дорогостоящих полупроводниковых соединений на поверхности пластин кремния большого диаметра.
Целью работы, выполняемой в рамках ОКР, является поэтапная разработка и создание штатного образца вакуумно-механической аппаратуры моле-кулярно-лучевой эпитаксии для космического эксперимента "Экран-М" (ВМА МЛЭ), который должен обеспечивать реализацию научных экспериментов и отработку технологического процесса МЛЭ. При этом рост пленок должен осуществляться в технологической СВВ-зоне (создаваемой на низкоорбитальных беспилотных космических аппаратах (КА) в окрестности или вблизи РС МКС за защитным молекулярным экраном, поверхность которого расположена перпендикулярно вектору скорости движения этого экрана.
Сотрудниками РКК "Энергия" проведены методические расчетные исследования уровня разрежения за защитным экраном в условиях орбитального полета пилотируемых объектов [5].
Рассмотрено поперечное обтекание свободномо-лекулярным набегающим потоком газов верхней атмосферы на высотах 250-400 км защитного экрана в форме, близкой к плоскому диску. Предполагается, что уровни газовыделения с "теневой" поверхности экрана в область аэродинамического следа не превышают 10-10 Па ■ м3 ■ м-2 ■ с-1. Такой уровень газовыделения характерен для предварительно обезгаженных металлических стенок вакуумных камер (например, из полированной нержавеющей стали) или для тонкостенных конструкций в условиях полета на теневой стороне орбиты при температурах порядка 100 К. Соответствующее парциальное давление (по атомарному кислороду) не превышает 10-10 Па.
Защитный экран, ориентированный перпендикулярно направлению полета, вырезает коническую зону аэродинамического следа, течение в которой формируется попавшими в эту зону частицами газа из набегающего потока и потоком частиц собственного газовыделения с внутренней поверхности диска. Для условий течений при больших числах Кнудсена эти потоки статистически независимы, и поэтому параметры общего течения в следе определяются их суперпозицией.
Проведен анализ изобар течения н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.