Долгов Александр Николаевич — профессор, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Всероссийского Научно-Исследовательского Института Автоматики имени Н.Л. Духова.
Интервью: Иван Степанян
Плазма — по-моему самое завораживающее и загадчное явление физики. С чего начались ваши исследования плазмы?
Я закончил факультет Экспериментальной и Теоретической Физики (ЭТФ) Ордена Трудового Красного Знамени Московского Инженерно-Физического Института (МИФИ) с присвоением квалификации инженер-физик по специальности «Экспериментальная ядерная физика». Специализация – физика плазмы. Почему так случилось? Лет с 13-14 знал, что буду заниматься наукой, т.е. исследовательской деятельностью. Почему физика? Наверно в моей голове бродили мысли, подобные той, что высказал выдающийся физик (но лауреат Нобелевской премии по химии) Эрнест Резерфорд: «В науке важна только физика, остальное – собирание марок». Почему плазма? Отчасти случайность. Поначалу. Потом поддался очарованию данной отрасли науки. Да и как было не поддаться, если учителями в профессии были очень интересные, незаурядные люди. Чтобы пояснить эти мысли позволю себе процитировать еще одного ученого и выдающегося, по моему мнению, педагога.
Заведующий кафедрой «Физика плазмы» Национального Исследовательского Ядерного Университета (НИЯУ) «МИФИ» Валерий Александрович Курнаев:
«Прекрасно понимая, что нельзя сомневаться в исключительной полезности многих других областей знаний, я убежден в величие, красоте и фантастической важности для человеческой цивилизации физики и ее интереснейшего раздела – физики плазмы».
Физика плазмы в качестве самостоятельной отрасли физики возникла как прикладная наука, призванная решать определенные практически значимые задачи. Но задачи оказались настолько масштабные, что для их решения потребовалось целенаправленное развитие обширной фундаментальной научной базы!
Основной принцип научных работ прекрасно сформулировал соратник Игоря Васильевича Курчатова, один из руководителей советского Атомного Проекта, замечательный физик Юлий Борисович Харитон:
«Мы должны знать в десять раз больше того, что требуется для решения практических задач».
А мой многолетний наставник в профессии, разработчик плазменных космических двигателей, один из ведущих участников национальной программы «Металлический водород» Виктор Александрович Храбров недаром любил присказку:
«Нет ничего практичнее хорошей теории».
Ниже я коснусь только некоторых проблем, над разрешением которых в настоящее время трудятся специалисты в области физики плазмы, и к решению которых я сам имею некоторое отношение.
Ключевой технологией, обеспечивающей крупносерийное (поточное) производство (буквально печатание, подобное тому, как печатают газеты и книги) микросхем для нужд электроники (так называемых сверхбольших интегральных схем, коротко СБИС или чипов, содержащих в себе миллионы элементов размером в тысячи раз меньше толщины человеческого волоса каждый) является коротковолновая литография.
Технология изготовления СБИС заключается в том, что сначала «рисуют» на поверхности большой кремниевой пластины (диаметром до полуметра) очень мелкий рисунок большого количества (порядка сотен или даже тысяч) нужных микросхем, а затем разными методами формируют необходимые логические элементы и соединения между ними. Особенностью технологии является то, что все элементы одного вида всех схем на пластине создаются одновременно, Так получается гораздо дешевле.
Для формирования элементов на поверхность пластины сначала наносят фоторезист – материал, который изменяет свои свойства под действием электромагнитного излучения, а затем проводят облучение (экспонирование) ультрафиолетовым излучением через маску (фотошаблон). В неприкрытых маской местах свойства фоторезиста изменяются. Например, полимерные волокна, входящие в состав фоторезиста, могут быть смешаны с фоточувствительным веществом, которое под действием облучения приводит к полимеризации фоторезиста, т.е. склеиванию полимерных нитей, и затрудняет его дальнейшее растворение в «проявителе». Возможен и совершенно другой процесс, когда под действием облучения полимерный изначально фоторезист деполимеризуется (т.е. полимерные волокна распадаются) и становится растворимым в «проявителе». И в том, и в другом случае на поверхности пластины, материал которой, кстати, является полупроводником, образуется тонкий рисунок в виде своего рода «окошек» (подобно вышивке типа «Ришелье»), сквозь которые открывается поверхность кремниевой пластины. Вместо использования жидкого «проявителя» (по существу химического растворителя) можно применить высокоэффективный метод сухого травления потоком плазмы (это уже из области химии плазмы – есть и такая).
Чем меньше длина волны используемого излучения, тем меньше может быть размер «окошек» и соответственно каждого отдельного элемента микросхемы. А чем меньше размер элементов, тем выше быстродействие микросхемы. Через эти «окошки» происходит обработка поверхности кремниевой пластины с целью формирования логических элементов, необходимых для обработки цифровых сигналов – это, например, диоды, транзисторы, соединяющие их электропроводяшие дорожки и электрически разделяющие их слои диэлектриков, конденсаторы, инжекционные лазеры, оптические волноводы и т.д. Достигается результат путем последовательного проведения нескольких операций таких как оксидирование кремния, напыление тонких металлических пленок, выращивание полупроводниковых монокристаллических пленок, ионная имплантация (внедрение ионов в поверхностный слой материала, облучаемого пучком ионов) и некоторые другие. На заключительном этапе кремниевую пластину пилят на отдельные чипы.
Среди внушительного списка научных, технических и технологических задач, которые предстоит решить при создании коротковолновой литографии, далеко не последнее место по сложности возникающих проблем занимает создание подходящего источника излучения. Длина волны для нового поколения литографии – EUV-литографии (EUV от английского Extreme Ultraviolet – сверхжесткое ультрафиолетовое излучение) – 13,5 нанометров (нанометр = 10-9 метров = одна миллионная часть миллиметра) была выбрана неслучайно. Разработчики – ученые и инженеры – исходили как из характера производства и свойств многослойных зеркал, используемых в литографической аппаратуре, так и из предположения, что в качестве излучателя будет использоваться плазма легкого металла лития или инертного газа ксенона. В дальнейшем оказалось, что очень эффективным источником необходимого излучения является плазма олова.
Требуется получить практически точечный (много меньше миллиметра в поперечнике) источник излучения, причем температура плазмы в источнике излучения должна составлять от двухсот до четырехсот тысяч градусов по Цельсию. В качестве источника плазмы была выбрана классическая вакуумная искра – кратковременный разряд между двумя электродами с подачей рабочего вещества в межэлектродный промежуток путем абляции (испарения) материала катода (олово) с помощью импульса лазерного излучения.
Исследования аксиально-симметричных разрядов в вакуумных искрах показали, что сверхжесткое ультрафиолетовое излучение возбуждается в плазме с токами, превышающими десять тысяч ампер в момент развития в канале разряда так называемой перетяжечной неустойчивости. Плазма сжимается магнитным полем протекающего через плазму тока. Процесс сжатия протекает неравномерно, обязательно есть сечение канала, где процесс идет быстрее и образуется сужение — перетяжка. Установлено, что перетяжка или как ее еще называют «микропинч» (область сжатия до микроскопических размеров, от английского pinch – щипок) образуется в результате вытекания плазмы из перетяжки в условиях сильных радиационных потерь энергии, в данном случае за счет линейчатого излучения многозарядных ионов олова. Формирование перетяжки сопровождается уплотнением и разогревом плазмы в перетяжке и переходом ко все более высоким кратностям ионизации. Радиус перетяжки определяется в первую очередь балансом джоулева нагрева и энергетических потерь на излучение в оптически прозрачной плазме.
Использование легкоплавкого металла олова в сочетании с лазерным инициированием разряда открывает интересные возможности для конструирования аппаратуры литографии. Например, в качестве электродов предложено использовать две струи жидкого металла (олово обладает невысокой температурой плавления), вытекающие с большой скоростью из тугоплавких металлических сопел. Насосы поддерживают в системе давление жидкого металла в несколько десятков атмосфер, что заставляет струю двигаться со скоростью в несколько десятков метров в секунду, обеспечивая тем самым охлаждение сопел и отвод тепла.
К струям приложено напряжение, и разряд между ними возникает при фокусировке лазерного излучения на одной из них. Струи не только уносят тепло, выделяющееся в разряде, но и эффективно охлаждают ближайшие к разряду металлические элементы – сопла. Струи попадают в теплообменник и после охлаждения возвращаются с помощью насосов в систему.
Упомянутый выше «микропинч» — это очень любопытный объект. Если в качестве плазмообразующего элемента использовать, например, железо и пропустить через разряд ток силой сто тысяч ампер, то размер «микропинча» окажется около микрона, т.е. раз в сто меньше толщины человеческого волоса, а температура плазмы в нем достигнет нескольких десятков миллионов градусов. При этом ионы и электроны в такой плазме будут упакованы с такой же плотностью, как и в твердом теле, например, в привычном для нас металле под названием железо. Получим этакий кусочек вещества из центра нашей звезды – Солнца. Кстати, в центре Солнца действительно имеется железо. Этот элемент является конечным продуктом цепочки превращений, называемых ядерными реакциями, исходного материала – водорода, преобладающего в веществе звезды.
Какие еще практические приложения физики плазмы ?
Электроразрядные устройства, сходные с выше описанной литографической аппаратурой по своему принципу действия, могут быть использованы (и уже используются) в качестве эффективных, практически точечных источников мягкого рентгеновского излучения – более длинноволнового по сравнению с излучением традиционных рентгеновских аппаратов, но более коротковолнового по сравнению с ультрафиолетом. Такого рода излучение при просвечивании живого организма позволяет получать изображение, например, кровеносных сосудов в том числе мельчайших, подробно изучать структуру мягких тканей, и даже проводить микробиологические исследования на клеточном уровне. Причем рентгеновский микроскоп, использующий излучение «микропинча», дает возможность увидеть такие детали строения именно живой клетки, какие «не видит» электронный микроскоп даже в специально подготовленной (не живой) клеточной структуре.
Мягкое рентгеновское излучение «микропинча», но в гораздо более масштабных устройствах, где протекают импульсные токи в десятки миллионов ампер, используется в исследованиях, направленных на решение проблемы управляемого термоядерного синтеза. Речь идет о техническом воплощении идеи «микровзрывов» термоядерного топлива под полным контролем человека и использовании выделяющейся энергии сугубо в мирных целях. Облучая небольшую мишеньку из дейтерия и трития (эти тяжелые изотопы водорода являются термоядерным топливом) мягким рентгеном из электрического разряда, и мгновенно разогревая до плазменного состояния оболочку этой мишени (как бы взрывая ее) создают в ней ударную волну отдачи. Эта волна сжимает вещество мишени до плотности в тысячи раз большей плотности твердого тела и разогревает ее до термоядерной температуры. Выделение термоядерной энергии синтеза происходит за короткое время, пока горячая плазма разлетается по инерции (поэтомому синтез назвали инерционным).
В настоящее время считается надежно установленным, что имеющихся на планете Земля и широко используемых современной цивилизацией ископаемых видов топлива — нефть, природный газ, каменный уголь, уран — хватит человечеству для удовлетворения его потребностей примерно на несколько сотен лет. Может быть — на тысячу лет. А вот топлива для управляемого термоядерного синтеза, имеющегося в мировом океане в виде тяжелого изотопа водорода дейтерия, должно хватить на сотни тысяч лет.
Строительство первого международного термоядерного реактора ИТЭР, основанного на удержании горячей плазмы магнитным полем (это еще одно направление работ по проблеме управляемого термоядерного синтеза, возникшее несколько ранее инерционного), уже началось во Франции в Кадараше. В проекте, предложенном Россией (СССР) в 1986 году, помимо Европы, США и Японии участвуют и Китай, и Индия, и Южная Корея (больше половины человечества хотят воспользоваться таким источником энергии).
Ныне быстро развивающееся направление технической (т.е. прикладной) физики – импульсная электроника большой мощности. Эта электроника предназначена для решения других задач, нежели те, для решения которых предназначена, например, микроэлектроника. Развитие этой экзотической электроники потребовало создания всех элементов, имеющих аналоги в обычной электронике, таких, как генераторы и преобразователи электрических импульсов, коммутаторы и т.д., но работающих естественно на иных физических принципах. Главное отличие состоит в том, что элементы импульсной электроники большой мощности должны работать в наносекундном (и даже пикосекундном) диапазоне времени, работать с импульсами высокого напряжения и большой силы тока. В некоторых особых случаях от них требуется невероятная надежность, сохранение работоспособности в условиях сверхжестких механических нагрузок, в условиях сверхагрессивной внешней среды.
Для получения таких коротких времен в активных элементах импульсной электроники большой мощности используются самые различные физические явления, такие, как электрический разряд в газе, вакууме, жидких и твердых диэлектриках, электрический взрыв проводников, неустойчивости в плазме и т.д., т.е. все это непосредственно касается физики плазмы.
Среди применений этой электроники можно назвать высокоскоростную фотографию, где импульсы высокого напряжения наносекундной длительности вначале с электрооптическими затворами, а затем с электронно-оптическими преобразователями используются для исследования сверхбыстрых процессов. В радиолокации короткие импульсы уже давно используются для определения с большой точностью расстояний до цели. Получение кратковременных импульсов рентгеновских лучей позволило получить ряд фундаментальных результатов в области баллистики и физики взрывов. Высоковольтная наносекундная импульсная техника сыграла исключительную роль при создании искровых и стримерных камер, которые сейчас являются одним из основных инструментов ядерной физики. Техника мощных наносекундных импульсов позволила осуществить настоящий прорыв в лазерной физике и технике. Наконец, отметим создание импульсных наносекундных ускорителей электронов, которые работают в импульсно-периодическом режиме и способны выполнять все те же функции, что и обычные стационарные ускорители. Они используются в медицине и пищевой промышленности для стерилизации, очистки воздуха и воды от вредных примесей, создания медицинских рентгеновских аппаратов, модификации свойств материалов. Они компактнее обычных ускорителей и имеют не меньший срок службы.
В заключение хотелось бы привести слова из «Плазменного гимна», написанного не просто замечательным МИФИстом, но настоящим МИФИческим (и в тоже время вполне реальным) поэтом. Андрей Михайлович Копытин посвятил многие годы своей жизни Московскому Инженерно-Физическому Институту, с кафедрой «Физика плазмы» которого его навсегда связали нерасторжимые узы.
Она! Вселенную собою сотворила…
Сиянье звезд галактикам дала,
И светом мрак холодный озарила,
И разум к пробужденью позвала…