Физика газового разряда и его приложения
Со времени своего создания ИПФ РАН стал одним из ведущих центров по изучению газоразрядных явлений в пучках мощного микроволнового излучения. В 70-е и 80-е годы под руководством В. Б. Гильденбурга и А. Г. Литвака были выполнены фундаментальные теоретические и экспериментальные исследования микроволнового разряда, которые заложили основы современных успехов ИПФ в области развития плазмохимических технологий (CVD-технологий, связанных с созданием в плазме газового разряда материалов требуемого химического состава, и их дальнейшим осаждением из газовой фазы на твёрдую поверхность), создания уникальных ЭЦР-источников многозарядных ионов и разработки систем компрессии мощных микроволновых импульсов. Накопленный опыт фундаментальных исследований физики микроволнового разряда также позволил ИПФ занять лидирующее положение в мире в области расчёта электрической прочности современных систем космической связи.
Одно из направлений CVD-технологий, развитию которого в ИПФ уделяется значительное внимание, связано с плазмохимическим осаждением искусственных алмазных плёнок и пластин из газовой фазы, которое получило в настоящее время широкое распространение. Микрокристаллические алмазные плёнки (с размерами зерен 1–100 мкм), выращиваемые по такой технологии, обладают целым рядом исключительных свойств, близких к свойствам натурального алмаза, и стали уже привычным материалом, применяемым в научных и промышленных разработках. В наиболее распространённых CVD-реакторах для создания плазмы используется электромагнитное излучение самых доступных генераторов – магнетронов на промышленной частоте 2,45 ГГц. Однако на основе проведённых ранее исследований в ИПФ РАН была высказана идея о возможности существенного повышения эффективности реактора, если использовать более коротковолновое излучение. Идея была успешно реализована: под руководством А. Л. Вихарева был создан CVD-реактор на основе 15 кВт/28 ГГц гиротрона, позволивший существенно повысить скорость осаждения алмазных плёнок (в 5–7 раз), которые обладают высокой теплопроводностью (18–20 Вт/(см × К)), не уступающей лучшим мировым образцам и заметно превышающей теплопроводность серебра при комнатной температуре. В этом реакторе удалось также вырастить нанокристаллические и ультрананокристаллические алмазные плёнки (с размером зерна до десятков нанометров и толщиной до нескольких микрометров). Такие плёнки представляются весьма перспективными для создания защитных покрытий элементов оптики и использования в вакуумной микроэлектронике, поэтому интерес к ним в последнее время непрерывно растёт.
Для нужд микро- и наноэлектроники разработана технология эпитаксиального роста монокристаллического CVD-алмаза на подложках из природного алмаза типа IIа. Синтезированы монокристаллические слои CVD-алмаза ориентации (100) с качеством, превышающим качество подложки, толщиной от 100 до 1000 мкм. На основе синтезированного CVD-алмаза совместно с ФГУП НПП «Исток» получен полупроводниковый алмаз р-типа с рекордной подвижностью дырок, равной 1150 см2/(В · с), наибольшей из получаемых в полупроводниковом алмазе при легировании бором методом ионной имплантации. Созданный приповерхностный высоколегированный слой р-типа позволяет использовать его в качестве приконтактного слоя в электронных приборах. В тесном сотрудничестве с ФГУП НПП «Исток» разработана технология изготовления комбинированных подложек диаметром до 100 мм, на которых удаётся выращивать одновременно большое количество широкозонных алмазных структур, необходимых для последующей разработки мощных полупроводниковых СВЧ-приборов. Для создания электронных приборов на таких пластинах толщиной 200–500 мкм могут быть использованы технологические линии, уже применяемые для кремниевой технологии.
Одним из направлений работ по созданию новых материалов с использованием плазмы ВЧ- и СВЧ-разрядов является получение тонких плёнок и массивных образцов кремния и германия как природного изотопного состава, так и обогащённых одним из изотопов из их газообразных фторидов. Разработан лабораторный вариант CVD-реактора для высокоскоростного (5 нм/с) осаждения нано- и микрокристаллических плёнок природного кремния из плазмы разряда в тетрафториде кремния, поддерживаемой излучением технологического гиротрона с частотой 24 ГГц (А. В. Водопьянов, С. В. Голубев, П. Г. Сенников). В отличие от традиционных химических технологий в плазмохимическом реакторе процесс разложения тетрафторида кремния с осаждением получающегося кремния на подложку удалось сделать одностадийным, что позволило существенно понизить содержание посторонних примесей в конечном продукте. Преимущества разработанной технологии позволили при использовании 28SiF4 с предельно высоким обогащением 0,9999969 получить плёнки 28Si с рекордным уровнем изотопной чистоты 0,999986 ± 0,000003, т. е. изотопным разбавлением не более 10 ppm. Также ведётся разработка высокоскоростной технологии осаждения изотопов германия в виде порошков из плазмы ВЧ-разряда с последующим их сплавлением и вытягиванием монокристаллов.
Успехи, достигнутые в ядерной физике в последние годы, в значительной степени обусловлены широким использованием ЭЦР-источников многозарядных ионов, в усовершенствование которых заметный вклад внесли сотрудники ИПФ А. В. Водопьянов, С. В. Голубев, В. Г. Зорин, С. В. Разин. Полученные результаты послужили толчком для почти повсеместного перехода к использованию в ЭЦР-источниках излучения мощных гиротронов миллиметрового диапазона длин волн. За последние 10 лет был создан целый ряд уникальных установок, позволивших достичь рекордных показателей по силе тока (до 200 мА), по приведённой яркости получаемых ионных пучков (до 70 А/(π • мм • мрад)2), по эффективности использования исходных газов (что весьма существенно при работе с редкими изотопами). Многие экспериментальные успехи тесно связаны с развитием адекватных методов моделирования различных режимов ЭЦР-разряда в магнитной ловушке. Сегодня ведётся активный поиск возможности использовать излучение многозарядных ионов олова, получаемых в ЭЦР-разряде, для нужд современной нанолитографии. В лабораторном эксперименте удалось получить линейчатое излучение многозарядных ионов олова с требуемой длиной волны 13,5 нм (в полосе с относительной шириной 1%), мощностью 50 Вт. Эффективность преобразования поглощённого в плазме микроволнового излучения в экстремальный ультрафиолет (около 1%) сравнима с лучшими мировыми достижениями, полученными с помощью импульсных лазерных систем.
Быстрое развитие телекоммуникаций привело к тому, что возможности современных систем спутниковой связи ограничиваются возникновением в них мультипакторного разряда. Поэтому расчёт электрической прочности вакуумных радиотехнических устройств является важной составляющей при проектировании новых систем спутниковой связи.
В ходе проведённых исследований порогов возникновения мультипакторного разряда в системах космической связи сотрудники ИПФ РАН (под руководством В. Е. Семенова) разработали теоретическую модель, свободную от основных недостатков, присущих приближению однородных электромагнитных полей, повсеместно использовавшемуся ранее для расчёта электрической прочности вакуумных радиотехнических систем. Отказ от приближения однородного поля позволил, в частности:
- установить, что развитие одностороннего мультипактора на выходном окне мощных СВЧ-приборов возможно и при отсутствии постоянных электрических или магнитных полей, которые рассматривались ранее как абсолютно необходимое условие возвращения вторичных электронов к поверхности эмиссии. Показано, что условия возникновения разряда в этом случае существенно зависят не только от амплитуды высокочастотного электрического поля на поверхности окна, но и от амплитуды магнитного поля;
- доказать принципиальную важность учёта разброса вторичных электронов по начальным скоростям для корректного предсказания порогов возникновения мультипактора в реальных системах. В настоящее время ESA (European Space Agency – Европейский центр космических исследований, координирующий развитие космической программы объединённой Европы) требует обязательного учёта этого эффекта во всех программных средствах, разрабатываемых для численного тестирования систем космической связи;
- разработать эффективные алгоритмы численного моделирования мультипакторного разряда, которые в настоящее время используются почти во всех расчётах электрической прочности систем космической связи.
