Микроэлектронике стало тесно на земле
Развитие полупроводникового материаловедения за последние 30 лет привело к появлению новых высокоточных и наукоемких технологий с использованием глубокого и чистого вакуума. К ним относится молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ).
МЛЭ связана с выращиванием монокристаллических тонких пленок и многослойных структур, состоящих из разнообразных химических соединений и твердых растворов с полупроводниковыми, металлическими или изолирующими свойствами. Появившись в начале 70-х, эта технология прочно заняла лидирующие позиции в арсенале средств для получения сложных тонкопленочных кристаллических композиций. Такие системы, выращенные на поверхности полупроводниковых пластин, используются как исходный материал для изготовления многих приборов, интегральных схем, устройств микро- и оптоэлектроники.
Развитие методов и аппаратуры для применения этой технологии влечет настоящую революцию в микроэлектронике, которая даже меняет свое название – становится наноэлектроникой. Ведь технология МЛЭ в сочетании с современными методами литографии для формирования «рисунка» микросхем 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.
Атомная бомба в материаловедении
Рассказ о том, как появилось технологическое направление МЛЭ в Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова (ИФП) да и в стране в целом, сегодня больше похож на легенду. После возвращения из очередной командировки в США первый директор института академик Ржанов поделился на семинаре впечатлениями о посещении лаборатории новоиспеченного нобелевского лауреата профессора Лео Эсаки. Анатолий Васильевич передал слушателям свое понимание важности только что родившегося направления, которое назвал «атомной инженерией вещества», повторив слова Эсаки: «Природа создала кристалл, а мы своими руками создаем не существующие в природе его многослойные композиции».
“Отброшены три порядка величины по каждому из трех измерений в пространстве электронного устройства”
При этом Ржанов отметил, что если мы не возьмемся срочно за создание подобной технологии, то рискуем прозевать что-то вроде атомной бомбы в материаловедении. Разработку направления поручили лаборатории Сергея Ивановича Стенина. Регулярный научный семинар отдела стал школой увлекательных научных дискуссий. Поощрялись любые, самые неожиданные идеи. При этом царили строгое научное обоснование и планирование экспериментальных исследований, тщательный анализ результатов. Лабораторные помещения научные сотрудники покидали зачастую поздно ночью, работа кипела даже в выходные.
Сергей Иванович Стенин ушел из жизни в непростые для страны времена демократических преобразований. Многие сотрудники тогда покинули институт ради работы в коммерческих структурах, кто-то уехал за границу. Остались самые стойкие. Им пришлось научиться тому, чего раньше, под защитой государства, делать никто не умел: участвовать в коммерческих выставках и презентациях, работать с рекламой, вести переговоры с инвесторами.
Сегодня институт устойчиво держит первенство по грантам, числу проектов и общему объему их финансирования. Коллектив ведущей в России научной школы, основанной профессором Сергеем Стениным, пользуется государственной поддержкой.
К основным направлениям работы института относятся прежде всего исследование физических процессов при синтезе тонких полупроводниковых пленок, разработка технологий полупроводниковых систем, в том числе пониженной размерности. Это квантово-размерные гетероструктуры, сверхрешетки, квантовые проволоки и точки. Разрабатывается и создается сверхвысоковакуумная техника для научных исследований и промышленности. Подобное производство в России было прекращено около 12 лет назад. Но установки, созданные институтом еще при советской власти, работают в цехах и лабораториях во многих городах России, Белоруссии, Украины. Давние партнерские связи и новые заказы в последние годы обеспечили некоторое оживление производства вакуумного оборудования в институте и на Опытном заводе Сибирского отделения РАН, где восстановлен участок чистой сборки сверхвысоковакуумных изделий. Создан модуль производительной установки для лазерного разделения изотопов.
Первая сверхвысоковакуумная модель МЛЭ в институте запущена в 1979 году. Она называлась «МАВР», то есть «Многоцелевая агрегатная вакуумная разработка». Установка должна была положить начало нескольким поколениям многокамерных комплексов для реализации вакуумных технологий микроэлектроники. Впервые в мировой практике она снабжалась автоматическим лазерным эллипсометром. Примерно в это же время появилась первая промышленная установка «ТЭМП», которую изготовили в Рязанском технологическом институте – головном предприятии машиностроительного главка Минэлектронпрома СССР.
В 1983 году совместно с Институтом ядерной физики создана установка «Селенга». Затем появилась конструкторская документация на целое семейство таких устройств, получивших названия сибирских рек – «Ангара» и «Катунь». На этой стадии к работе подключился Институт вакуумного электронного машиностроения (НИИ ВЭМ, Ижевск), где разрабатывались и изготавливались все силовые блоки и компьютерные системы управления установок. Ижевцы приняли оправдавшие себя сегодня и пионерские по тем временам решения в архитектуре АСУ.
С 1985 по 1990 год было создано четыре поколения промышленно ориентированного технологического сверхвысоковакуумного оборудования для МЛЭ – установки «Ангара», «Катунь», «Катунь-В» и «Катунь-С». Первым заказчиком стал Минский НИИ радиоматериалов Министерства промышленности средств связи (Белоруссия). Затем установки приобрели многие предприятия и организации Министерств электронной и оборонной промышленности, Академии наук. Каждая установка снабжалась автоматизированной системой управления технологическим процессом и аналитическим оборудованием. На 1987 год «Катунь» не имела отечественных аналогов, а по ряду параметров соответствовала мировому уровню. Именно это оборудование позволило не допустить безнадежного отставания нашей науки и технологии от мировой в области МЛЭ. «Атомной бомбы» мы не прозевали.
Выход в космос неизбежен
В обзорных работах известных специалистов в области технологии микроэлектроники академика Камиля Валиева и члена-корреспондента РАН Александра Орликовского на основе детального анализа тенденций развития полностью интегрированных электронных производств предсказывается неизбежность технологического прорыва, связанного с использованием глубокого вакуума, в космическое пространство.
В 2000 году в секции космического материаловедения Совета РАН по космосу, которой руководит академик Юрий Осипьян, была сформирована десятилетняя программа фундаментальных исследований. Первым в списке из четырех пунктов названо возникшее в ИФП им. А. В. Ржанова новое научное направление, сформулированное как «Исследование синтеза полупроводниковых многослойных эпитаксиальных структур в космическом вакууме за молекулярным экраном».
Работы с использованием космического вакуума проводятся в настоящее время только в двух странах – США и России.
В 1987 году во Франкфурте-на-Одере прошла одна из конференций по молекулярной эпитаксии. Делегацию от ИФП возглавил профессор Сергей Стенин. В кулуарах обсуждалась идея переноса установки МЛЭ в космос. Тогда уже было известно, что с помощью так называемого молекулярного экрана там можно получить сверхглубокий вакуум. И все же говорилось об этом скорее как о фантастике.
Через два года после той конференции идея выноса вакуумных технологий в космос стала переходить в практическую плоскость. В Университете Хьюстона начались эксперименты, результаты которых подтверждали справедливость выводов о перспективности проведения процесса МЛЭ в космосе. Работы были направлены на преодоление принципиальных ограничений традиционных вакуумных технологических процессов, осуществляемых 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 давало использование того самого молекулярного экрана, с помощью которого, как показывают расчеты и результаты первых экспериментов, возможно получение такого разрежения, которое не может быть в принципе достигнуто в земных условиях.
Стоимость современных установок для получения и использования сверхвысокого вакуума исчисляется миллионами долларов. Эксплуатация обходится тем дороже, чем более глубоким является получаемый вакуум, чем больше энергии, жидких гелия и азота расходуется для его получения. Вся история такого рода техники состоит из непрерывной и тяжелой борьбы за сверхвысокий и чистый космический вакуум в жестких рамках земных условий.
Наша страна после развала собственного производства приобретает такие установки только за рубежом. Средств, затраченных на приобретение нескольких экземпляров, хватило бы на реализацию всего проекта «Экран».
Первый российский проект по использованию молекулярного экрана был сформулирован вслед за американцами группой ученых из Зеленограда, занимавшихся проблемами роста полупроводниковых кристаллов в космосе. Проект подвергался серьезной критике, однако многие его положения вошли в современный вариант «Экрана». В долгосрочной программе Роскосмоса планируется создание орбитальной мини-фабрики 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.
Широкое применение перспективных материалов, в том числе с использованием нанокомпозиций, во всех сферах деятельности и особенно в космическом материаловедении, солнечной энергетике продолжает оказывать огромное влияние на развитие экономики и образ жизни землян. Открываются новые возможности, обеспечивается безопасность человека, повышаются качество и доступность образования и здравоохранения. Перспективное космическое материаловедение обеспечивает развитие приоритетных направлений, разработку и внедрение ряда критических технологий.
Олег Пчеляков, заместитель директора по науке Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова Сибирского отделения РАН, профессор
Опубликовано в выпуске № 1 (567) за 14 января 2015 года
