Полупроводниковые кристаллы космического совершенства. Космическая технология и производство

Рост однородных кристаллов твердых растворов соединений А2В6 и А3В5 считается одним из перспективных направлений космического материаловедения. Этот метод уже использовался при выращивании кристаллов в космосе.

Однако и здесь в некоторых случаях наблюдалась большая неоднородность свойств выращенных кристаллов. В настоящее время за рубежом исследования в этом направлении продолжаются. В частности, в Японии выполняется обширная программа теоретических исследований и наземных экспериментов по подготовке космических экспериментов по получению на японском модуле МКС однородных кристаллов In1-xGaxAs и Cd1-xZnxTe. Аналогичные эксперименты планируются европейскими учеными в рамках программы MAP. Поэтому планируемый эксперимент ВАМПИР соответствует новейшим направлениям в космическом материаловедении.

© В.И.Стрелов, Б.Г.Захаров
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского , г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2008 г.

Анализ результатов экспериментов по выращиванию монокристаллов полупроводников в реальных условиях микрогравитации на борту космических аппаратов показывает, что по совокупности свойств полученные в космических экспериментах кристаллы были не лучше полученных в земных условиях. Они имели, как правило, или значительную микронеоднородность (полосы роста), или макронеоднородность распределения легирующей примеси по диаметру и длине слитков, происхождение которых может быть связано только изменением характера и возрастанием интенсивности конвекции в расплаве. Поэтому, для достижения высокой однородности свойств выращиваемых кристаллов необходимо в расплаве обеспечить условия диффузионного тепломассопереноса.

Эти условия и ожидаемые предельные параметры кристаллов могут быть получены:

– при отсутствии термогравитационной конвекции,

– при исключении свободной поверхности расплава,

– при минимизации внешних квазистатических воздействий на расплав, вызывающих в условиях микрогравитации из-за возрастающей гравитационной чувствительности расплавов вынужденные конвективные течения в них и, соответственно, неоднородность состава и свойств выращиваемых кристаллов.

Только в условиях диффузионного тепломассопереноса свободный рост кристаллов будет происходить в стабильных температурных условиях путем самоорганизации атомов и будут обеспечиваться однородность состава и свойств на этом уровне. В этих условиях можно получить эталонные образцы или отдельные рабочие образцы, на которых будут не только определены параметры кристаллов, но на них могут быть изготовлены образцы оптоэлектронных приборов с предельно достижимыми параметрами. Однако в настоящее время эти условия трудно реализуемы.

Поэтому основная задача космических технологий заключается не в организации серийного производства в космосе кристаллов из расплава, а в использовании новых знаний о процессах кристаллизации, получаемых в космосе, в земных технологиях с максимальным приближением к условиям, обеспечивающим минимизацию конвективных процессов.

Для современных приборных технологий требуются высокооднородные легированные кристаллы диаметром несколько сотен миллиметров. При этом для их выращивания необходимы многотонные установки, которые нереально и нет необходимости располагать в космосе, тем более, когда им есть альтернатива на Земле за счет минимизации конвективных процессов в расплавах. Как следует из анализа экспериментальных и теоретических исследований процессов тепломассопереноса в расплавах полупроводников, это проблема чисто техническая: прежде всего это минимизация радиального градиента температуры, точность ориентации направления кристаллизации и отсутствие свободной поверхности расплава.

В широком поясе околоземного пространства, на высоте от трехсот с лишним до 35 800 километров, где синхронно с нашей планетой вращаются стационарные ИСЗ, Национальное управление по аэро-навтике и исследованию космического пространства (НАСА) предвидит развитие промыш-ленности. Работая в этом без-воздушном пространстве в условиях полной невесомости, космические предприятия смогут производить новые материалы, стоимость которых на Земле исчисляется десятками тысяч долларов за килограмм. Электростанции со сложной системой солнечных батарей смогут превращать энергию Солнца в электрическую и передавать ее на Землю. Обслу-живать небесную промышлен-ность будут космопланы.
Тем временем представители земной промышленности реагируют на эти многообещаю-щие планы по-разному и, в целом, весьма сдержанно. С одной стороны, ведущие промышленные предприятия, заключившие с НАСА контракты на разработку космического оборудования и экспериментальных технологических процессов, полны энтузиазма, то-гда как другие промышлен-ные корпорации, мало осведомленные о новых начинаниях, относятся к ним скептичеки. Роберт А. Фрош, директор НАСА, заявил, что его задача — это «обеспечить доступ в космос и разработать основные технологические процессы, которым потенциальный потребитель должен дать оценку, прежде чем он решится на капиталовложение».
Самообслуживающаяся лаборатория на борту космоплана станет первым производственным предприятием в космосе. Члены экипажа, получив соответствующую подготовку, будут создавать металлические сплавы в электро-плавильных печах, одна из которых изображена у левой стены на рисунке. В рабочем помещении исследователи, снабженные ботинками на присосках, смогут передвигаться во весь рост.
В командный отсек они будут «проплывать» через смежный воздушный шлюз. Вдоль правой стенки лаборатории разместятся клетки для подопытных животных.

Иллюстрация Николаса Соловьева

Однако скептицизм заинте-ресованных в прибылях корпо-раций, может быть, слишком преувеличен. Дело в том, что НАСА в космосе — не новичок, и планы свои строит на ба-зе успешных экспериментов, проведенных в ходе предыдущих орбитальных полетов. Эксперименты эти, проведенные главным образом на борту космической станции «Скайлаб» и во время совместных полетов кораблей «Аполлон» и «Союз», доказали, что за пределами земного притяжения с физическими телами происходят удивительные вещи: кристаллы растут более равномерно, в некоторых случаях в десять раз превышая размером земные экземпляры; биологические соединения легче поддаются разделению и сортировке, что позволяет надеятся на возможность производства более чистых вакцин и новых фармацевтических препаратов. Кроме того, в ходе предыдущих полетов выяснилось, что в космосе возможна выработка новых типов стекла, разнообразных суперсплавов, а также целого ряда материалов различной плотности, обладающих свойствами, неведомыми на Земле. Некоторые ученые полагают, что рейсы космопланов положат начало новым изобретениям, которые по своему значению можно будет уподобить разработанному в XVII веке вакуумному насосу.
На данном этапе оценка этой еще не изведанной области возможна лишь в том случае, если несколько промышленных корпораций сделают шаг в космос, ибо ни одно промышленное предприятие не должно на фоне нынешнего технологического прогресса игнорировать новую эру больших перемен, на пороге которой мы стоим.
Преимущества космического производства легче всего пояснить земными недостатками, из которых главным является гравитация. Большинство твердых материалов проходит стадию размягчения или плавки в процессах их создания или обработки, и там, где существует гравитация, они должны удерживаться стенками того или иного вместилища — причины изъянов материала.
Более того, гравитация вызывает конвективные течения, которые проходят вдоль температурных градиентов в слоях жидкости. Конвективные течения, хаотические и изменчивые по своему характеру, часто приводят к неожиданным и нежелательным структурным и композиционным различиям в твердых материалах, скажем, к образованию мягких или разжиженных участков. Гравитация также разъединяет молекулы, оставляя полости, в которых собираются посторонние примеси. Если жидкость состоит из двух и более составных частей, гравитация способствует разъединению этих материалов, нарушая их однородность в твердом состоянии.
Это вредное воздействие гравитации мучило не одно поколение промышленников со времен отлития первых бронзовых статуй; из-за него металлы никогда не могли достичь той прочности и других характеристик, которыми их наделяет теория. Так, например, сталь могла бы быть в десять, а то и в сто раз крепче нынешней. Лопасти реактивного двигателя распадаются при температуре, которая значительно повысила бы его эффективность. Микро-проводники электронного кардиостимулятора или штифты для костной пластики (цена то-го и другого высока, не говоря уже о травме при их замене) изнашиваются скорее, чем им теоретически положено.
В условиях космической невесомости большинство этих трудностей в процессах производства материалов отсутствует. Конечно, строго говоря, нулевой гравитации не существует, ибо каждая частица и каждый атом взаимно притягиваются. Однако на борту космоплана невесомость приблизится к этому недостижимому нулевому показателю: при спокойном режиме полета она будет равна одной миллионной доле земного притяжения, но когда астронавты включат вспомогательные ракеты для коррекции курса или, скажем, начнут передвигаться в своих снабженных присосками ботинках, невесомость повысится до одной тысячной земного тяготения, что ученые называют «микрогравиnацией». Одна фирма, производящая исследования для НАСА, укажет, что сила притяжения препятствует производству по меньшей мере четырехсот разных сплавов. Многие из них представляют комбинацию металлов, которые, подобно маслам и воде, в земных условиях не смешиваются. Зато в условиях невесомости они смешиваются до микромасштабов и, затвердев, обретают небывалую прочность и неведомые электрические, магнетические и другие физические свойства. Из этих металлических сплавов можно изготовлять прочные и легкие автомашины, почти невесомую мебель и т.д. Особенно большой интерес электроэнергетических фирм вызывают сверхпроводящие аллы, способные передавать электричество при низких температурах фактически без потери энергии.
Так, например, медь и свинец или свинец и алюминий, сплавленные в определенных пропорциях, проявляют свойства взаимосмазки, что, возможно, поможет конструкторам создать такой автомобильный двигатель, которого хватит на восемьсот или более тысяч километров пробега машины.
Многие из этих материалов можно производить лишь в космосе так называемым бесконтейнерным методом: жидкий металл затвердевает, ни с чем не соприкасаясь. Это возможно благодаря «всплыванию», что свойственно каждому предмету в космосе. Образец жидкости или твердого тела можно без особых усилий повесить» в нужное положение в акустическом, электромагнитном или электростатическом полях. Поскольку в космосе преобладают вторичные силы, как, например, поверхностное натяжение, то сплавленный материал автоматически приобретает форму сферы. Сфере можно придать нужную форму лишь незначимым воздействием на нее внешних сил. На Земле бесконтейнерный процесс далеко не пошел, ибо здесь он требует массивного воздействия внешних сил. В космосе же звуковыее волны обычного проигрывателя заставят воспарить стальной шарик.
Бесконтейнерный процесс может привести к улучшению микрокроструктуры вольфрама, одного из тугоплавких металлов (температура плавки 3410°С), который в расплавленном состоянии особенно под-вержен загрязнению. Посторонние примеси, образующиеся в тигеле, препятствуют производству чистого оптического стекла и повышают стоимость производства высококачественных стекловолокон, необходимых для новых линий связи, разрабатываемых Американской телефонно-телеграфной компанией и другими фирмами. Стекло космического производства, обладающее уникальной рефракцией и дисперсией, найдет себе широкое применение в лазерной технике и других оптических системах. «Список оптических приборов увеличится вдвое», — предсказывает Ральф Хаппе, специалист по производству стекла из фирмы «Рокуэлл интернэшонал корпорейшн».
Но, пожалуй, самые широкие перспективы в недалеком будущем открываются в космической промышленности перед кристаллами, ставшими неотъемлемой частью электроники и электронной оптики. В электронике используют свойство кристалла проводить электроны в строго определенных и полностью контролируемых условиях, в оптике — его прозрачность, с которой не сравнится даже самое высококочественное стекло, которое из-за своей аморфной структуры частично рассеивает свет.
Выращивание кристаллов на Земле в общем считается не наукой, а искусством. Специалисты, выращивающие наиболее крупные морковеобразные кристаллы, которые используются в изготовлении полупроводниковых интегральных микросхем, величают себя «кри сталловодами», что, собственно, недалеко от истины. Хотя кристаллы и не живые существа, они в какой-то мере подобны растениям. Кристаллы требуют пищи и тянутся в сто-рону источника питания. И тут, как выразился один исследователь, «кристалловод добавляет чуть-чуть того, чуть-чуть другого — как по рецепту». Равномерное распределение всех этих важных примесей, наделяющих полупроводниковый кристалл необходимыми электронными свойствами, в земных условиях осуществить трудно вследствие конвективных течений, вызываемых гравитацией. В результате, земной «урожай» пригодных для полупроводников кристаллов невелик.
Об успехах выращивания кристаллов в космосе красноречиво свидетельствуют опыты, проведенные на борту орбитальной станции «Скайлаб». Опыты бали разработаны Гарри Гатосом, профессором Массачусетского технологического института, специализирующимся по сопротивлению материалов и инженерному проектированию. Астронавтам удалось получить образец кристалла индий-антимонид. Измеряя проводимость образца во всю его длину, Гатос установил, что электрические свойства кристалла были постоянны. В подобном же кристаллы, выращенном в земных условиях, свойства эти менялись от одного конца к другому. Во время совместного полета «Апполон - Союз» Гатосу удалось вырастить такой же идеальный образец кристалла германия. И хотя опыты эти, в силу обстоятельств, были весьма простыми, они, тем не менее, превзошли все ожидания.
Выращивание кристаллов в космосе возобновится с началом первых полетов космопланов-лабораторий. В доказательство приведен пример с гелием-арсенидом, который широко используется в производстве излучающих светодиодов, лазеров, микроволновых устройств и другой технической аппаратуры. Фунт (450 граммов) галлия-арсенида не очень высокого качества стоит в настоящее время 15000 долларов. В итоге, стоимость производства этого кристалла составляет небольшую долю его продажной цены. Кристаллы из космоса, дают значительно большее количество совершенных полупроводниковых интегральных микросхем и оправдывают, таким образом, высокую цену кристалла. Если же высокое качество кристаллов породит новую область их применения, то им буквально не будет цены.
Вероятно, прибыльным окажется ещё один продукт — крошечный шарик из весьма обычной пластмассы — полистирольного латекса. Шарики, диаметром менее двух микронов и более 40 микронов, можно сделать на Земле, но шарики промежуточных размеров получаются неустойчивыми и по сложным техническим причинам не поддаются массовому производству. А ученые крайне нуждаются в та-ких средних диаметрах. Если, например, шарики разных диаметров ввести в бактериальную культуру перед ее анализом под электронным микроскопом, то с их помощью ученые смогли бы произвести точные измерения многих объектов от вирусов до отверстий в диафрагмах. Кроме того, крошечные шарики можно будет использовать для градуировки самого электронного микроскопа и других приборов.
Космос таит в себе широ-кие возможности для дальнейшего прогресса биологии и медицины. Микрогравитация поможет ученым разделять определенные типы клеток, клеточные компоненты и продукты, а также протеины. Вакцины обретут недостижимую на Земле чистоту. Предыдущие полеты дали не только ценную информацию, но и урок на будущее; во время опыта с ДНК молок лосося в среду проникли бактерии и целиком уничтожили ее.
Все дело в том, что сотни биологических веществ на Земле не поддаются ни синтезированию, ни разделению в силу все тех же конвективных течений, которые дают неравномерные и непрогнозируемые композиции. Многие из этих комплексных биологических продуктов вырабатывает человеческий организм. Урокиназа, например, способствует активизации ферментов, рассасывающих сгустки крови, а в выработке этого ценного химического вещества участвует всего пять процентов печеночных клеток. Задание космических лабораторий — разделить эти клетки и затем, в целях размножения, культивировать их на Земле. Печеночные клетки, выделенные в полете «Аполлон—Союз», выработали урокиназы в семь раз больше обычного, но по непонятным причинам, которые ученым интересно выяснить, на Земле эти клетки выработку урокиназы прекратили.
Вырабатываемые организмом гормоны и другие вещества, как, например, ативирусный агент интерферон или эндорфины — болеутоляющие агенты головного мозга, можно также получать в чистом виде в космосе. Следующим кандидатом в орбитальные лаборатории являются эритропоэтины, вырабатываемые почками и стимулирующие образование эритроцитов в красном костном мозге. Выработать чистые эритропоэтины на Земле еще никому не удавалось.
Тем не менее ученые сделали большой прогресс в изучении кровяных клеток, обнаружив в них целый ряд новых веществ, выполняющих роль иммунизирующих агентов. В условиях невесомости ученые надеются выделить новые препараты, которые помогут бороться, скажем, с ревматическим артритом, не поддающимся защитным действиям механизмов иммунитета. Джон Каррутерс, директор программы НАСА по разработке материалов, предсказывает, что «в один прекрасный день лекарства начнут поступать из космоса».
Помимо невесомости, другим важным преимуществом космоса является чистота и разряженность атмосферы на высоте 300 километров. Роберт Т. Фрост, директор отдела космических исследований фирмы «Дженерал электрик», называет верхние слои атмосферы «лучшей в мире вакуумной камерой». Но тут следует сделать оговорку. В районе челночных рейсов космическое пространство не будет таким чистым, как этого хотели бы исследователи, ибо выхлопные газы ракетных двигателей и мусор из грузовых отсеков будут неизменно сопровождать орбитальные аппараты. Кроме того, даже на этой высоте существует атмосфера, состоящая из рассеяных атомов кислорода и создающая давление, равное всего лишь десятимиллиардным долям земного давления над уровнем моря. В связи с этим НАСА намеревается сконструировать космический щит на носовой штанге аппарата. «Воздух» с космической скоростью будет обтекать щит и образовывать за ним почти идеальный вакуум. Фрост полагает, что в этом сверхчистом пространстве стоимость производства тонкой пленки для солнечных батарей составит всего один процент стоимости ее производства на Земле.
Конечно, все эти чудеса свершатся не в один день. В будущем астронавты найдут себе более широкое применение. Им придется монтировать в космосе энергетические установки для передачи на Землю солнечной энергии и выполнять другие функции. В обоз римом будущем НАСА, вероятно, превратится в своеобразный центр коммунального обслуживания. Владея всеми достояниями космоса, управление будет продавать свои услуги промышленным корпорациям всего мира. Впрочем, не исключена возможность, что НАСА передаст свое дело какой-нибудь частной фирме. Авиакомпания «Боинг», например, считает, что она могла бы извлечь прибыль из коммерческой эксплуатации космопланов.

Японские ученые сумели преодолеть барьер, связанный с особой технологией выращивания гелиевых кристаллов. Результаты исследований опубликовал журнал Немецкого общества физиков. Опыты, проходившие в условиях нулевой гравитации, смогут помочь ученым понять фундаментальные законы создания гелиевых кристаллов и рассмотреть некоторые новые явления, которые при действии гравитации могут быть скрыты от взора.

Первоначально для выращивания кристаллов гелия применялась особая среда со сверхнизкой температурой (порядка -279 град.) и сверхвысоким давлением. Постепенно кристаллы «обрызгивались» таким же гелием, но элемент находился в сверхтекучем состоянии. Отметим, что сверхтекучестью называется особое свойство, при котором вещество обладает всеми признаками жидкости, но при этом имеет нулевую вязкость. Для сверхтекучих жидкостей присуще одно полезное свойство – такие материалы способны проходить через мелкие зазоры между другими объектами без какого-либо трения.

В обычных условиях для формирования кристаллов могут понадобиться тысячи лет. Однако в наши дни в средах со сверхнизкими температурами гелиевые кристаллы можно вырастить всего за 1 секунду. Однако в этом случае существует одна проблема – при действии гравитации кристаллы значительно деформируются. По словам профессора Рюдзи Номура, одного из авторов эксперимента, с помощью сверхтекучего вещества можно довольно быстро получить полноценные кристаллы – для этого достаточно обеспечить условия невесомости.

В своих исследованиях японские физики отказались от идеи применения дорогостоящих космических аппаратов: вместо этого был задействован сверхзвуковой самолет. Известно, что при особых параболических траекториях полета даже на борту реактивного самолета можно создать условия нулевой гравитации, которая продлится около 20 секунд.

Для реализации эксперимента на борту самолета был расположен лабораторный холодильник, в нижней камере которого под высоким давлением размещались большие гелиевые кристаллы. Далее кристаллы подвергались дроблению с помощью акустической волны, после чего более мелкие кристаллы «обрызгивались» сверхтекучим гелием. В результате крупные кристаллы гелия росли до размера примерно 10 мм, а мелкие кристаллы плавились. Весь цикл экспериментов занял около 20 часов.

Рост кристаллов происходил из-за имевшего место так называемого явления Оствальдовского созревания. Подобное явление можно наблюдать при производстве мороженого, которое постепенно становится твердым и хрустящим из-за роста более крупных кристаллов за счет повреждения мелких. Сам процесс Оствальдовского созревания довольно медленный, и ранее такой быстрый рост крупных кристаллов не наблюдался.