Оборудование для выращивания полупроводниковых гетероструктур в открытом космосе

Оборудование, описанное в данном разделе, предназначено для проведения технологического процесса молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) по выращиванию пленочных полупроводниковых структур в условиях международной космической станции (МКС) за защитным молекулярным экраном, обеспечивающим защиту рабочей зоны МЛЭ от набегающего потока и прямых потоков собственной внешней атмосферы, исходящих с поверхности МКС. Внутри станции размещается блок управления и сбора информации, который выполняет функцию управления работой всей аппаратуры, сбора полученной информации и связи с информационной системой МКС.

Идея использования эффекта молекулярного экрана для получения сверхвысокого вакуума в космосе на низких орбитах принадлежит американским ученым. Первым эту идею в 1970 году выдвинул Рональд Костоф [1]. В 1976 году Л. Мелфи с соавторами провел теоретический анализ состояния газовой среды вокруг летящего в пространстве полусферического экрана и сформулировал концепцию орбитальной лаборатории со сверхразреженной средой. Практическая апробация этих идей была проведена в коллективе сотрудников Университета в Хьюстоне под руководством А. Игнатьева [2]. Эта работа проводилась при поддержке NASA. Расчеты и первые эксперименты в аэродинамической трубе показали, что если на высоте 200-400 км с первой космической скоростью будет двигаться экран – полированный диск из нержавеющей стали - то в его кильватере образуется конусный след, практически лишенный вещества. Все давление за экраном будет опре- деляться атомами гелия и водорода, источником которых является Солнце, а также веществом, испаряющимся с поверхности самого экрана. Для сравнения отметим, что в наземных сверхвысоковакуумных технологических установках с криогенными насосами достигается предельное разрежение в сотни и тысячи раз хуже, чем было практически получено в первых американских космических экспериментах с молекулярным экраном [2]. На высотах орбитального полета при поперечном обтекании защитного экрана в аэродинамическом следе за ним существует стабильная естественная область глубокого вакуума. В этой области «космического» вакуума достигаются уровни разрежения порядка 10-14 мм рт. ст. и ниже при почти полном отсутствии кислорода и углеродсодержащих компонент. Если с рабочей («теневой») поверхности защитного экрана путем прогрева предварительно удалены сорбированные примеси, то скорости собственного газовыделе-ния в зону следа также соответствуют давлению ниже 10-14 мм рт. ст. Такой уровень газовыделения характерен для обезгаженных металлов, применяемых в сверхвысоковакуумной технике. В вакууме, образующемся за экраном, в процессе экспериментов производится термическое испарение As и Ga из раздельных молекулярных источников. Молекулы As и Ga, достигая поверхности нагретой подложки GaAs, соединяются с образованием соединения GaAs. Молекулы GaAs достраивают кристаллическую решетку подложки, формируя эпитаксиальную пленку GaAs. Ключевую роль в формировании совершенной пленки играет чистота как молекулярных пучков As и Ga, так и чистота поверхности подложки. Следовательно, процесс должен происходить в условиях как можно более высокого вакуума. Вблизи поверхности МКС атмосфера имеет довольно высокое фоновое давление (~10-3 Па) поэтому в эксперименте используется защитный экран, ориентированный так, чтобы защищать зону эпитаксии как от потоков загрязнений, десорбирующихся с поверхности космического аппарата, так и от набегающего потока внешней среды [3-10].

Краткое описание оборудования

Защитный экран имеет открывающуюся крышку, которая вакуумно плотно закрыта при наземной отработке и в процессе доставки космической научной аппаратуры молекулярно-лучевой эпитаксии (КНА МЛЭ) на орбиту. Перед началом эксперимента крышка открывается и газообразные компоненты, выделившиеся из деталей нагретой арматуры, свободно истекают в космическое пространство [8-10].

После того, как пленка GaAs выращена, манипулятор передает подложку с выращенной пленкой в кассету (рис. 1 и 2), берет следующую подложку и цикл повторяется. После обработки всех шести подложек температура источников и нагревателя подложек понижается, кассета приводится в крайнее положение, при котором возможно произвести ее замену и закрывается крышка камеры. В случае если происходит отказ одного из источников молекулярного пучка (потеря сигнала термопары, разрыв цепи нагревателя, сбой в работе заслонки), эксперимент может быть продолжен с использованием резервного источника.

МИ Ga2 МИ Ga1 МИ As1 МИ As2 Заслонка МИ

Манипулятор         Кассета

Нагреватель подложки

Рис. 1. Расположение элементов аппаратуры МЛЭ (МИ – молекулярный источник)

Привод кассеты (рис. 3) служит для перемещения кассеты и обеспечивает позиционирование очередной подложки в положение захвата манипулятором. Привод кассеты содержит электромеханический механизм на основе шагового двигателя, который управляется токовыми импульсами, поступающими от электронного блока.

Рис. 2. Кассета: 1 – молибденовые носители с подложками, 2 – рукоятка прижима, 3 – фиксирующий рычаг рукоятки прижима

¹¹²          Рис. 3. Привод кассеты: 1 – корпус привода,

2 – шток, 3 – присоединительный фланец,

4 – электросоединитель, 5 – ручка

Импульсы тока поступают по кабелю от электросоединителя (4). Корпус привода кассеты (1) изготовлен из нержавеющей стали, заполнен азотом и герметично отпаян. Привод присоединяется к кассете фланцем (3). Поступательное движение привода к кассете передается штоком (2). После окончания эксперимента кассета отсоединяется от привода и доставляется на Землю, а привод утилизируется. Для обеспечения манипуляций с кассетой с приводом в кожухе привод кассеты оснащен ручкой (5), приспособленной для работы рукой в перчатке скафандра.

Как уже было отмечено, электронная часть аппаратуры состоит из блока управления и сбора информации (БУСИ), который размещается внутри герметичного отсека МКС (рис. 4) и блока драйверов и контроллеров (БДК), который размещается на наружной поверхности МКС (рис. 5). БУСИ обеспечивает:

• •    управление работой КНА МЛЭ по заданной программе;

• •    организацию командно-информационного обмена с информационной управляющей системой многоцелевого лабораторного модуля (ИУС МЛМ) по интерфейсу Ethernet серии IEEE802.3-2012 для физического и логического уровней обмена со скоростью передачи 10/100 Мбит/с по медножильным трактам (10BaseT/100BaseTx);

• •    выдачу собственной телеметрии;

• •    индикацию состояния оборудования МЛЭ в ходе эксперимента.

Командно-информационный обмен БУСИ и ИУС МЛМ состоит из следующих видов обмена:

• •    получение команд управления в БУСИ;

• •    передача служебных данных от БУСИ.

Объем команд управления составляет не более 1 Кбайт/сутки и поступает из Центра управления полетами во время сеансов связи. Для синхронизации времени используется протокол NTR (Network Time Protocol RFC 1305). Время представления обеспечивается с точностью 1 с. Считывание накопленной научной информации

Том 5

БУСИ производится ИУС МЛМ автоматически не реже 1 раза до 2 Мбайт в сутки для сброса на Землю с использованием имеющегося бортового радиокомплекса. Все научные данные записываются на сменных накопителях информации.

Рис. 4. БУСИ – фронтальный вид

Рис. 5. Внешний вид БДК без радиатора и защитного кожуха

БДК обеспечивает электрические соединения между входящими в него блоками и их надлежащий тепловой режим при помощи радиатора и термостатирующих устройств.

Блок питания обеспечивает:

• •    электропитание КНА МЛЭ;

• •    подачу напряжения на нагреватели, входящие в состав КНА МЛЭ, и регулирование их температуры.

Блок управления обеспечивает:

• •    преобразование сигналов термопар, входящих в состав КНА МЛЭ, и сигнала от аппаратуры вакуумного контроля в цифровую форму и передачу полученных данных в БУСИ;

• •    прием сигналов с датчиков положения, входящих в состав КНА МЛЭ, и их передачу в БУСИ;

• •    выдачу управляющих воздействий на электроприводы, входящих в состав КНА МЛЭ.

Аппаратура вакуумного контроля обеспечивает измерение остаточного давления вблизи зоны реализации процессов МЛЭ.

Заключение

После цикла материаловедческих исследований в наземных условиях с использованием описанного в данной статье оборудования в программе полетных экспериментов предполагается реализовать преимущества открытого космоса. Это глубокий вакуум и почти неограниченная скорость откачки компонент рабочего молекулярного пучка, создающие уникальную возможность для сверхбыстрой смены химического состава газовой среды в зоне роста на поверхности подложки. Такие условия позволят выращивать многослойные монокристаллические материалы с особо резкими границами между слоями, обладающими высокой однородностью по площади и любыми профилями контролируемого легирования по толщине. Толщина слоев в подобных материалах может быть менее 100 нм. Важную роль в их космическом синтезе сыграет отсутствие стенок рабочей камеры и возможность существенного пространственного удаления элементов технологической оснастки от зоны роста наногетероструктур. Кроме того, при синтезе наногетероструктур в космосе в качестве исходных материалов могут использоваться токсичные летучие жидкости и газы (например, гидриды и металлорганические соединения) без угрозы загрязнения окружающей среды. Эти соединения быстро рассеиваются до безопасных концентраций и легко разлагаются на безопасные компоненты под действием солнечного ионизирующего излучения. Особенно важно, что в пленках, выращенных в космическом вакууме, должны практически отсутствовать углеродо- и кислородосодержащие компоненты – самые вредные примеси в полупроводниках, ухудшающие их оптические и электронные свойства. Таким образом будет реализована новая технология получения альтер-   113

нативного подложечного материала и многослойных гетероструктур для нужд опто-, микро- и наноэлектроники.

Работа выполнена при поддержке Программы «Экран» фундаментальных космических исследований РАН, контрактов с АО «РКК «Энергия» им. С. П. Королёва» и АО «ЦНИИмаш», в сотрудничестве с АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» и ООО НПФ «Электрон».