Новосибирские ученые производят кристаллы, на которых основана вся современная электроника

На рабочем столе руководителя отдела химии функциональных материалов Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН академика Федора Кузнецова почетное место занимает кристалл сверхчистого кремния. — На этом кристалле основана вся сегодняшняя электроника, — говорит Федор Андреевич. — А в будущем на кремнии планируется строить солнечную энергетику, которая к концу века сможет производить более половины необходимой человечеству энергии. Полупроводниковый кремний, по-видимому, является в настоящее время наиболее подробно изученным материалом. Разработанные при его изучении новые методы исследования и способы управления состоянием вещества подтолкнули прогресс во многих направлениях науки и технологий. В частности, стало возможным формулировать новое комплексное направление — нанотехнологии. Во второй половине ХХ века электроника, до той поры работавшая на вакуумных лампах, перешла на транзисторы, а затем на интегральные схемы. И именно увеличение чистоты используемого для их производства кремния позволило постоянно миниатюризировать электронную технику — ведь для этого необходимым условием является однородность кристалла по составу и примесям. Сегодня стандартом считается содержание примесей в кристалле на уровне одного атома на миллиард атомов кремния. Нет сомнения в том, что кремний будет продолжать совершенствоваться. Очевидно также, что будут появляться новые разнообразные применения других высокосовершенных кристаллов, структура и состав которых контролируется на уровне, близком к атомному. К настоящему времени широкое признание получили работы ученых ИНХ СО РАН в области выращивания оксидных кристаллов, которые используются в высокотехнологичных областях промышленности. — Наша «изюминка» состоит в разработке нового способа изготовления кристаллов, отличающегося от существующих очень деликатными условиями фазообразования, — рассказывает Федор Кузнецов. — Чтобы получить кристалл, нужно вещество расплавить, а потом упорядоченно кристаллизовать. При этом процессе часть вещества у вас будет более, а часть — менее горячей, и разность, или градиент температур при росте кристалла обычно очень велик. Это значит, что в растущем кристалле есть термические напряжения, которые могут нарушить упорядоченность расположения атомов в его структуре, снизив тем самым его качество. Метод, разработанный в нашем институте, позволяет сократить разницу температур на два порядка, сохранив при этом устойчивость системы. Этот низкоградиентный метод выращивания кристаллов освоен только у нас. История создания уникальной технологии в ИНХ СО РАН берет начало еще в СССP. Сотрудники института успешно участвовали в разработке и внедрении автоматизированных технологий выращивания лазерных и других функциональных кристаллов в отраслевых институтах и на промышленных предприятиях. После 1992 года, когда заводам стало не до кристаллов, а бюджетное финансирование научных работ резко сократилось, руководство института приняло решение организовать экспортно ориентированное производство сцинтилляционных кристаллов германата висмута (BGO). В институте для этого было сформировано отдельное научно-технологическое подразделение, создан участок изготовления из кристаллов рабочих элементов. Необходимые кредитные ресурсы удалось привлечь из Российского Фонда технологического развития (РФТР) — ИНХ СО РАН активно включился в проект фонда по совершенствованию технологии выращивания большеразмерных кристаллов германата висмута. Выполнив проект и организовав собственное производство в 1997—1998 годах, институт стал крупнейшим российским поставщиком на мировой рынок лазерных и сцинтилляционных кристаллов. (Лазерные используются в лазерной технике, сцинтилляционные обладают способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения, такого как, например, гамма-кванты.) — Наши сцинтилляторы нужны в медицине — в США с их использованием производятся позитронно-эмиссионные томографы (PET), пока не выпускаемые в России, — рассказывает ведущий научный сотрудник лаборатории роста кристаллов ИНХ СО РАН Ян Васильев. — Другая область применения — геофизика, в частности исследование состояния состава пород, и главное — соотношения углерода к кислороду в нефтяных скважинах. Наконец, их используют в производстве систем безопасности, работающих как на просвечивание предметов, так и путем экспрессного определения химического состава испытуемых веществ. Кристаллы BGO, выпускаемые институтом, сегодня востребованы в научных центрах многих стран мира, таких как Окриджская и Лос-Аламосская национальные лаборатории США, Йельский университет США, подземная лаборатория Гран Cacco в Италии, канадский ядерный центр TRIUMPF и другие. Блоки детектирования на основе кристаллов ИНХ СО РАН поставляются ведущим зарубежным производителям и разработчикам PET в США и Японии. Некоторые проекты с участием института вообще уникальны. В 1998 году ИНХ совместно с ИЯФ СО РАН изготовил 360 радиационно стойких кристаллов BGO для форвард-калориметра детектора BELLE в японском ядерном центре KEK. Германат висмута был впервые применен для калибровки пучка, так как выращенный по традиционной технологии кристалл BGO не обладает нужной радиационной стойкостью. В 2007 году ИНХ изготовил более 400 высококачественных кристаллов BGO сложной формы для международного стратостатного астрофизического проекта POGoLite, целью которого является изучение поляризованного гамма-излучения Вселенной. В настоящее время заканчивается изготовление 1300 клиновидных кристаллов, имеющих 21 типоразмер, для исследовательского центра по ядерной физики Университета Тохоку в Сендае. Общий вес кристаллов около 2 тонн. Также успешно развивается в ИНХ СО РАН и производство кристаллов для лазеров. Эта продукция института позволяет изготавливать источники излучения с жестко контролируемой длиной волны в диапазоне от 1 до 10 микрон. Такие лазеры востребованы в медицине для стоматологии и сосудистой хирургии. Накоплен также большой потенциал по кристаллам для военных целей. По качеству кристаллы ИНХ СО РАН превосходят продукцию лучших мировых производителей. — Помимо низкоградиентного метода выращивания еще одним ключевым моментом является создание новой технологии производства особо чистого оксида висмута, — поясняет Ян Васильев. — Дело в том, что на свойства кристаллов влияет такое малое содержание примесей, которое не удается определить химико-аналитическими методами. Один из исходных компонентов — оксид германия — продукт полупроводниковой промышленности, где вопросы чистоты хорошо отработаны. Другое дело — оксид висмута. Содержащиеся в нем вредные примеси долгое время были основным источником загрязнений кристаллов. Мы перепробовали продукцию лучших мировых производителей, но избавились от «сюрпризов», только перейдя на продукт собственного производства. Кстати, наши особо чистые висмут и оксид висмута тоже идут на экспорт. К сожалению, востребованные за рубежом кристаллы практически не используются в России. Местным потребителям направляется едва ли больше 3—5% от общего объема продукции ИНХ СО РАН. Более того, сегодня даже налаженное в ИНХ производство становится рискованным предприятием: госучреждениям запрещают заниматься бизнесом, и закупки необходимых компонентов, а также расходование средств должны вестись по тендеру. Несмотря на это, в институте продолжают сегодня работать на перспективу. — Сейчас мы вышли на передовые позиции в мире по кристаллам для фемтосекундных лазеров, это будущее лазерных технологий, — рассказывает руководитель технологической группы по выращиванию оксидных кристаллов ИНХ СО РАН Анатолий Павлюк. — А в плане НИР мы стоим на пороге создания новых сцинтилляторов и комбинированных лазеров. Ученые обнаружили, что, если сознательно нарушить упорядоченность структуры кристалла — а она очень жестко структурирована, — можно получить новые эффекты. Это позволит, например, повысить чувствительность кристалла на воздействие излучения. Но все эти исследования еще только предстоит воплотить в конкретные разработки.