Горизонты космических технологий

Накануне Дня космонавтики в клубе «Горизонты» Дома ученых побывал Олег ПЧЕЛЯКОВ – заместитель директора по науке Института физики полупроводников СО РАН.

Формат мероприятия, изначально задуманного как научно-популярная лекция, вскоре принял форму если не диспута, то уж точно оживленной беседы на актуальные сегодня темы – независимость России и роль Академгородка в укреплении обороноспособности страны и энергетики будущего. Разговор шел в плоскости физики полупроводников, а если еще конкретнее – молекулярно-лучевой эпитаксии.

Сам термин «эпитаксия» состоит из двух корней: «эпи» – поверхность и «таксос» – повторение. Объясняя процесс роста тонкопленочных полупроводниковых кристаллов – основного компонента элементов электронных приборов, профессор Пчеляков в качестве иллюстрации показал модель, состоящую из слоев твердых шариков, которые изображали отдельные атомы. Характер строения слоев полупроводника и чистота поверхности определяют качество будущих p-n переходов в транзисторах.

Теория метода молекулярной эпитаксии на первый взгляд достаточно проста – на кристаллическую подложку из одного вещества (чаще кремния) наносят тонкую пленку другого, к примеру, германия. Результат достигается осаждением на кристаллическую подложку полупроводникового материала, испаренного в вакууме. Но при всей простоте идеи выполнить это чрезвычайно сложно, поскольку процесс требует высокой чистоты используемых материалов (99,999999%), источников, способных их испарять, и рабочей камеры со сверхвысоким вакуумом. Все это выполняется на установках, имеющих камеры из нержавеющих сплавов, вакуумные насосы, молекулярные источники, манипуляторы и системы контроля роста.

Немного истории

Российский физик-теоретик академик Леонид Келдыш в 1961 году высказал идею о том, что из обычных полупроводниковых кристаллов, встречающихся в природе, если их получить в тонкопленочном состоянии и наслоить друг на друга многократно, можно создать искусственный кристалл, обладающий уникальными свойствами. Это может позволить раскрыть квантовую природу полупроводника и запрячь ее на пользу всему человечеству. Олег Пчеляков рассказывает:

– Первой установке, созданной при моем участии в ИФП под руководством профессора Сергея Стенина, более 30 лет. Она называется «МАВР» – многоцелевая агрегатная вакуумная разработка. Сейчас на ней обучаются студенты. С тех пор у нас накопился достаточно большой опыт. Изготовлено более 90 таких камер: для нашей страны, трехкамерная установка  запущена в Болгарии. Фрагменты этого оборудования  продавали японцам, полякам, бразильцам.

Метод получения в вакууме полупроводниковых пленок позволяет контролировать их дефектность на очень высоком уровне и таким образом достигать значительных результатов.

Реалии наших дней

По мнению Пчелякова, неудачи с пуском космических систем, происходящие сегодня, – следствие разрушения отечественной электроники за последние 15-20 лет. Отсутствие собственной  элементной базы приводит к тому, что приходится за рубежом закупать комплектующие и детали, что ставит нас в полную зависимость от импорта. Закупаемое оборудование и радиокомпоненты – по сути, контрафакт не всегда требуемого качества. И когда их ставят на наши космические аппараты, они начинают падать.

В Интернете можно прочитать, что в США есть исследовательский институт, занимающийся разработкой специальных вкладок в интегральные схемы. И если направить на космический объект луч радара, настроенный на определенной частоте, в такой микросхеме с вкладкой сгорает маленький проводок, через который все питается. Отключаются электронные системы. Аппараты падают.

Сегодня складывается критическая ситуация с зависимостью всей нашей спутниковой флотилии от импорта солнечных элементов. Большая часть космических аппаратов летает на американских солнечных батареях. И если в мире наступит еще более жесткая ситуация, американцы могут запретить их поставку. Тогда наши космические корабли останутся практически без энергии.

Солнечные батареи необходимо использовать и для решения проблем наземной энергетики. Стоимость электричества, которое нам дается от сжигания углеводородов, непрерывно растет, все больше загрязняется окружающая среда. Мазут, древесина, уголь, сгорая, дают значительный объем угарного газа и прочих загрязнений. Добывая нефть для выработки топливного мазута, приходится в факелах прямо на месторождениях сжигать попутный газ, поскольку сложно собирать его и утилизировать. Очень скоро запасы углеводородных топлив иссякнут.

Вспоминая Аристотеля

Решение энергетических и экологических проблем, по мнению О. Пчелякова, – в развитии производства тонкопленочных полупроводниковых материалов для солнечных батарей. Это во многом обеспечит будущий переход человечества на солнечную энергетику. Но развитие такого производства тоже сопряжено со множеством трудностей: высокая токсичность используемых материалов, сложность и, соответственно, значительная стоимость технологии, требующей оборудования для создания высокого вакуума и материалов особой чистоты.

Аристотель говорил, что вслед за быстро движущимся телом на какое-то время создается пустое пространство, не содержащее ничего. Вот эта замечательная идея античного мудреца и легла около 17 лет назад в основу российского проекта: разместить лаборатории по производству полупроводниковых пленок в космосе на борту орбитального корабля. Там сверхглубокий и чистый вакуум можно получить, укрепив на спутнике «зонтик» – щит из тонкого металла, в «кильватере» которого и можно напылять кристаллические пленки. Материалы и оборудование для технологичных операций доставлять на спутник в специальных кассетах-контейнерах будут транспортные корабли.

Сейчас ученые Академгородка совместно с РКК «Энергия» им. С.П. Королёва, ЦНИИмаш и самарским ЦКБ «Прогресс» запустили долгосрочную программу создания оборудования и технологии для промышленного производства полупроводниковых пленок и наноструктур в условиях орбитального полета. Предполагаются три этапа: первый – разместить технологический модуль на МКС, второй (2012-2015 гг.) – запустить орбитальный автоматизированный технологический корабль, третий (2020 г.) – создание завода, который будет находиться в космосе на расстоянии 250 тыс. км (две трети расстояния до Луны). Такое удаление от Земли нужно для достижения очень чистого вакуума.

Нерастраченные ресурсы

Пока идеи о космических заводах обретают свои черты на бумаге, в Академгородке начинается подготовка к строительству завода по производству элементной базы для нужд электронной промышленности. Реформы и преобразования девяностых, столь драматически прошедшие в России, Академии наук удалось пережить, сохранив свой потенциал и главный ресурс – высокообразованные научные кадры. Об этом Олег Петрович рассказал присутствующим на встрече. В конце беседы он добавил:

– Я вошел в группу по созданию кластера, который будет называться «Новосибирская электроника». 15 января в холдинге «Росэлектроника» подписан приказ. Мы регулярно собираемся в Москве и обсуждаем, как три ведущих предприятия электронной промышленности Новосибирска объединить на новых площадях. Сейчас на месте размещения начинается подготовка земли под застройку. На реализацию этого проекта отводится три года.

Евгений МАРКОВ