История и методология науки и техники в области электроники и нанотехнологии. Учебное пособие

раторий факультета оказали ведущие НИИ электронной промыш- ленности Москвы. Массовое вовлечение студентов и аспирантов в научно-исследовательскую работу привело к тому, что число аспи- рантов на факультете уже в 1963 г. превысило 100 человек.

На основе оригинальных курсов лекций и лабораторных практи- кумов были написаны новые учебники по специальным дисциплинам и монографии, как правило, не имеющие аналогов в мировой литера- туре. По этим учебникам готовили специалистов электронной техни- ки во многих вузах страны. Важную роль в формировании материа- ловедческой направленности при подготовке инженеров электронной техники сыграли созданный С.С. Гореликом совместно с М.Я. Да- шевским курс «Материаловедение полупроводников и диэлектри- ков» и написанный ими учебник того же названия. В нем отражены физико-химические отличия полупроводников и диэлектриков от металлов: показаны влияния характера химических связей на струк- туру и свойства полупроводников и диэлектриков, особенности по- ведения в них примесей и структурных дефектов, их электрическая активность.

Уже через несколько лет после создания факультета многие его преподаватели защитили докторские диссертации и получили звания профессоров. Среди них П.С. Киреев, Я.А. Федотов, М.П. Шасколь- ская, В.В. Крапухин, Ю.Д. Чистяков, А.А. Блистанов, В.Т. Бублик, А.А. Галаев, М.Я. Дашевский, Л.М. Летюк.

Научная школа кафедры «Материаловедение полупроводников» сложилась под руководством проф. С.С. Горелика и при активном участии его учеников и ближайших сотрудников – В.Т. Бублика, А.А. Галаева, М.Я. Дашевского, Л.М. Летюка, каждый из которых со временем создал и возглавил свои направления в рамках этой школы.

Научная деятельность на кафедре велась в следующих направлениях:

–изучение механизма фазовых и структурных превращений в важнейших полупроводниковых материалах и компонентах схем на разных стадиях их получения;

–исследование роли в этих превращениях структурных дефектов, прежде всего точечных (с учетом их особенностей в полупроводниковых материалах), и упругих напряжений в тонкопленочных композициях;

–разработка на этой базе принципиальных основ новых техноло- гий получения материалов и компонентов с улучшенными рабочими характеристиками и технико-экономическими показателями.

Под руководством Е.А. Ладыгина развивалось научное направле- ние «Физика и технология лучевых процессов микро- и оптоэлектро-

91

ники». Лучевые процессы, основанные на использовании высоко- энергетичных частиц (электронов, протонов и др.), ускоренных ио- нов, лазерных и фотонных пучков, универсальны и эффективны в различных типах микроэлектронных структур на основе как про- стых, так и сложных полупроводников.

Использование процессов, принципиально отличающихся от рав- новесных, потребовало создания сложной экспериментальной и ана- литической базы. За короткий срок на кафедре были созданы новые лаборатории: быстрых электронов на базе линейного ускорителя ЭЛУ-6 (энергия электронов 6 МэВ), ионной имплантации на базе ус- корителя НУЕ-350 (любые типы изотопно чистых ионов с энергией до 350 кэВ), гамма-обработки на базе установки МPX-Y-ЗО (энергия квантов 1,25 МэВ), электронной литографии, лазерной и фотонной обработки.

Коллектив кафедры разработал основы «радиационного» мате- риаловедения различных полупроводниковых материалов и неодно- родных структур, изучая кинетику накопления, физическую природу, энергетический спектр, рекомбинационные и фотоэлектрические па- раметры, термостабильность и другие характеристики глубоких цен- тров для нескольких сотен полупроводниковых структур. На этой основе разработаны конкретные лучевые процессы, с применением которых отечественной промышленностью изготовлено несколько миллиардов приборов и микросхем.

При подготовке специалистов по технологии материалов твердо- тельной электроники фундаментальный характер в значительной степени сложился благодаря физико-химическим разработкам А.Н. Крестовникова. Учебники и несколько томов справочника тер- модинамических свойств металлов, полупроводников и их соедине- ний, подготовленные А.Н. Крестовниковым, широко используются в научных работах его учеников. Выделим наиболее важные научные направления.

Очистка веществ методом химических транспортных реакций

(ХТР). А.И. Беляев, Л.А. Фирсанова, С.А. Ершова изучали химиче- ский механизм реакций переноса, термодинамику процесса на при- мере элементов III и IV групп Периодической таблицы Д.И. Менде- леева. Предложена классификация процессов ХТР. Технология полу- чения высокочистого алюминия внедрена на Волховском алюминие- вом заводе. Результаты исследований нашли широкое применение при разработке процессов парофазной эпитаксии соединений AniBv при освоении технологии микроэлектроники.

92

Получение высокочистых веществ по «хлоридной» технологии.

В.В. Крапухин, И.А. Соколов, В.Н. Черняев с сотрудниками изучали термодинамику и кинетику процессов глубокой очистки веществ ректификацией и восстановление элементов из их соединений водо- родом. Исследования равновесия жидкость–пар, кинетики процессов

вколонных массообменных аппаратах, термодинамики многосту- пенчатых процессов водородного восстановления элементов и их кинетики на базе термодинамики необратимых процессов обобщены

внескольких учебниках.

Разработка основ процесса эпитаксии. В период становления технологий микроэлектроники Ю.Д. Чистяков с сотрудниками пред- ложил гипотезу механизма формирования эпитаксиального слоя че- рез жидкую фазу, образующуюся на подложке вследствие взаимо- действия оксидов примесей и основного материала. Термодинамиче- ские расчеты и ряд оригинальных экспериментов подтвердили спра- ведливость гипотезы в определенных случаях эпитаксии.

Фундаментальные исследования этих процессов позволили уста- новить механизмы процессов роста, влияние параметров процесса на свойства композиций, создать математические модели процессов. Полученные изопериодные гетерокомпозиции использованы для создания приборов с высокой обнаружительной способностью и вы- соким отношением сигнал/шум.

Л.В. Кожитов с сотрудниками исследовали физико-химические основы процесса жидкофазной эпитаксии кремния. Данные о раство- римости, вязкости, электропроводности, плотности, диффузии в рас- плавах кремний–легирующий элемент–металл–растворитель, смачи- вании раствором – расплавом кремниевой подложки легли в основу разработанной технологии. Низкие температуры процесса, высокая чистота и однородность по составу эпитаксиальных слоев выгодно отличают ее от парофазной эпитаксии с химическим осаждением. Для реализации процесса в промышленности создана высокопроиз- водительная установка, получены авторские свидетельства.

В создании эффективных термоэлектрических преобразовавате- лей участвовал ряд кафедр. На кафедре ФХиТПП Ю.Г. Полистан- ский с сотрудниками изучали условия синтеза соединений, их леги- рование различными элементами, кристаллизацию из жидкой и па- ровой фаз. Разработанная технология миниатюрных преобразовате- лей позволила организовать серийный их выпуск в МИСиС и на дру- гих предприятиях. Годы, прошедшие со дня образования факультета ПМП, полностью подтвердили правильность выбора профиля вы-

93

пускаемых специалистов. Они отличаются от выпускников других вузов, готовящих специалистов электронной техники, углубленной материаловедческой подготовкой. Это отвечает требованиям и тен- денциям развития этой передовой отрасли техники.

6.3.50 лет истории кафедры технологии материалов электроники (по материалам воспоминаний

ипубликаций проф. В.В. Крапухина)

Предысторией кафедры, как и факультета ПМП, было создание в 1957 г. Минобразованием совместно с Министерством цветных ме- таллов в институте Минцветметзолото проблемной лаборатории чис- тых металлов и полупроводниковых материалов. Заведующим лабо- раторией был назначен доц. В.В. Крапухин. При создании лаборато- рии неоценимую помощь оказали профессора кафедры физики Мин- цветмета Н.Н. Мурач и Н.Н. Сирота.

Оснащенная современным оборудованием, со штатом 35 сотруд- ников лаборатория имела технологический (руководитель В.В. Кра- пухин), химико-аналитический (руководитель Б.М. Лившиц) и физи- ческий (руководитель Ю.Д. Чистяков) секторы. Лаборатория выпол- няла ряд работ по технологии кремния и полупроводниковых соеди- нений.

Ощущая недостаток в специалистах, лаборатория в 1960 г., с раз- решения Минвуза, начала подготовку специалистов технологов из числа студентов Металлургического факультета. В 1961 г. состоялся выпуск 6 человек, в 1962 г. – 10 человек. Среди первых выпускников были И.А. Соколов, Л.В. Кожитов, О. Пелевин, Ю.П. Райнова и др., впоследствии ставшие видными специалистами в технологии полу- проводников

В 1962 г. вышло постановление Правительства о развитии элек- тронной промышленности, в котором одним из пунктов было созда- ние факультета полупроводниковых материалов и приборов (ПМП). На факультете были созданы среди других кафедр две кафедры тех- нологического профиля. Заведующим кафедрой «Производство чис- тых металлов и полупроводниковых материалов» был назначен чл.-корр. АН СССР А.И. Беляев, заведующим кафедрой «Физико- химические исследования полупроводниковых материалов» – проф. А.Н. Крестовников.

94

На кафедру А.И. Беляева перешли из проблемной лаборатории В.В. Крапухин, Ю.Д. Чистяков, И.А. Соколов, Л.В. Кожитов. С ка- федры легких металлов – Л.А. Фирсанова, Е.А. Жемчужина.

На кафедре А.Н Крестовникова в первые годы становления фа- культета эффективно работали выдающиеся ученые и педагоги В.М Глазов, В.Н Вигдорович, А.С. Охотин.

В1969 г., в связи с кончиной А.И. Беляева, заведующим кафедрой был избран В.В. Крапухин. Вскоре произошло объединение кафедры физико-химических исследований с кафедрой производства чистых металлов. Объединенной кафедрой с длинным именем ФХ и ТПП и ОЧМ руководил В.В. Крапухин.

На кафедре подготовлены учебники по физико-химическим осно- вам технологии полупроводников (В.В. Крапухин, И.А. Соколов, Г.Д. Кузнецов); Оборудование полупроводникового производства (проф. Л.В. Кожитов, И.Г. Блинов); Расчеты процессов технологии полупроводников (И.А. Соколов); учебники по технологии магнит- ных материалов (Л.М. Летюк с соавторами). Издано большое коли- чество методических пособий по читаемым курсам.

Одновременно с созданием факультета ПМП в Калуге шло созда- ние Всесоюзного научно-исследовательского института материалов электронной техники (ВНИИМЭТ). Кафедра приняла участие в его создании и комплектовании, а в последующем там был организован

иболее 20 лет работал ее филиал. Это позволяло проводить совмест- но разработку технологических процессов и готовить специалистов на современной научной базе. В организации и работе филиала ог- ромен личный вклад Всеволода Валерьевича Крапухина – уроженца

ипреданного патриота Калуги.

В1985 г. кафедра была усилена за счет группы специалистов в области технологии материалов магнитоэлектроники, была создана соответствующая специализация.

Появилось новое научное направление – исследование процессов структурообразования ферритовых материалов, разработка прин- ципов модификации их свойств.

Реализация основных научных идей этого направления позволила создать ряд новых ферритовых материалов и высокоэффективных процессов их получения и термообработки для радиочастотной, вы- сокочастотной, вычислительной и импульсной техники.

В1990 г. кафедру разделили на две. Кафедру «Микротехнология компонентов электронной техники» возглавил проф. Г.Д. Кузнецов. На этой кафедре была организована подготовка специалистов по но-

95

вой в то время двухуровневой системе (бакалавр, магистр). В 1998 г. эти кафедры были вновь объединены. Заведующим объединенной кафедрой с названием «Технология материалов электроники» стал проф. Л.В. Кожитов. Под его руководством и при активнейшем уча- стии проф. В.В. Крапухина кафедра поставила и развила два принци- пиально новых научных направления: методы получения металлоуг- леродных наноструктурных композитов и Основы технологии полу- проводниковых приборов непланарной геометрии.

Об уровне этих работ свидетельствуют две докторских диссерта- ции (кроме десятка кандидатских), патенты и призы международных инновационных выставок.

С 2009 г. руководит кафедрой д-р физ.-мат. наук В.Г. Костишин. Пережив тяжелые для электроники времена в стране, кафедра

вновь набирает свой научный потенциал, развивая работы в области создания наноматериалов и нанотехнологий, материалов и приборов опто- и магнитоэлектроники.

96

Библиографический список

История отечественной электроники. М.: Столичная энциклопе-

дия. 2012. Т.1. 759 с; Т.2. 759 с.

НИИМЭ и МИКРОН–50лет: Лидер российской микроэлектрони- ки». М.: Международный объединенный биографический центр, 2014. 391 с.

НИИ «ИСТОК» – 70 лет. М.: Изд. Дом «Оружие и технологии», 2013. 380.

Фрязинская школа электроники. М.: Изд-ва Янус-К, 2012. 624 с. Малашевич Б.М. 50 лет отечественной микроэлектроники: Крат-

кие основы и история развития. М.: Техносфера, 2013. 800 с. ЦНИРТИ–65 лет. М.: Изд-во ЦНИРТИ, 2008. 359 с.

Электронная промышленность СССР. 1961–1985. М.: Техносфера, 2009. 416 с.

Шокин А.А. Министр невероятной промышленности. М.: Техносфера, 2007. 456 с.

ГИРЕДМЕ Т: Год образования – 1931 / Сб. под ред. Ю.Н. Пархо- менко М.: Изд-во Гиредмет, 2007. 243 с.

Михайлов В.А. НИИ «Вектор» – старейшее радиотехническое предприятие России. СПб.: Изд-во ВЕКТОР, 2006. 291 с.

Морита А. Сделано в Японии. О Сони и о себе. М.: Радио и связь, 1989. 340 с.

Maney K., Hamm S., Brien J.O. Making the World Work Better. IBM press, 2011. 352 p.

97

ПРИЛОЖЕНИЕ

Краткая хронология развития компонентной базы радиотехники и электроники

1887. Генрих Герц экспериментально доказал передачу электро- магнитной энергии в пространстве без проводников. Вибратор Герца – прообраз колебательного контура высокой частоты.

1889. Когерер Э. Бранли – первый практический детектор высоко- частотных импульсов.

1895–1900. Когереры А.С. Попова – доработанные и более чувст- вительные, чем когерер Бранли.

1904. Вакуумный диод Джона Флеминга – первая двухэлектрод- ная радиолампа с катодом прямого накала и цилиндрическим ано- дом. Термоэлектронную эмиссию от нагретой нити в вакууме ранее обнаружил Т. Эдисон в 1881 г. Эффект Эдисона.

1906. Триод Ли де Фореста. Управляющая сетка позволила изме- нять плотность потока электронов в радиолампе, обеспечить режим усиления и генерации электромагнитных колебаний. Старт ламповой радиотехники.

1907–1911. Опытные катодно-лучевые трубки (ЭЛТ) Б. Розинга для передачи изображения.

1900–1914. Различные варианты точечных (игла–кристалл) твер- дотельных детекторов на природных и синтезированных полупро- водниковых кристаллах в Германии, США, Японии, России.

1916. Первые русские генераторные радиолампы из Тверской ра- диолаборатории М. Бонч-Бруевича (изготовлено около 3000 шт.).

1914–1918. Завершение эры искровых (электроразрядных) радио- телеграфных станций. Развитие радиотелефонной связи и радиове- щания.

1922. Твердотельные купроксные (Cu–CuO) выпрямительные дио- ды – промышленный выпуск, разработка Л.О. Грондаля.

1922. Радиовещательная станция Коминтерн, самая мощная в ми- ре на момент пуска – 12кВт.

1930. Селеновые выпрямительные диоды, массово выпускались на высокие и низкие напряжения. Прослужили в электрорадиоаппаратуре до середины 1960-х годов.

1930–1940. Быстрое усовершенствование и миниатюризация ра- диоламп. После первой генерации (размером с огурец!) появились

98

«пальчиковые», затем «желудевые» лампы и серия «дробь». Разрабо- таны многоэлектродные (гексоды, гептоды) и индикаторные радио- лампы.

1934–1936. Опытное электронное телевидение (иконоскопы – пе- редающие ЭЛТ и кинескопы – отображающие ЭЛТ, системы раз- вертки изображения).

1936–1939. Разработка и испытания первых советских радиолокато- ров (Буря, РУС-1), к началу войны выпущено около 40 комплектов, све- дения о боевом использовании до 1942 г. имеются для 2–3 установок.

1935–1940. Германиевые точечные детекторы для высокочастот- ной радиосвязи.

1940–1941. Для создания миниатюрных радиолокационных взры- вателей зенитных снарядов впервые применен печатный монтаж электронных компонентов (Англия, США).

1943. Постановление «О Радиолокации» – старт разработок и мас- сового производства радиолокационной аппаратуры и необходимой компонентной базы в СССР.

1945–1948. Варианты реализации твердотельных полупроводни- ковых триодов (транзисторов) в Германии, Франции, США.

1947. Демонстрация точечного транзистора. 1948 г. – патент и пуб- ликация по точечному транзистору США (Бардин, Браттейн, Шокли).

1948. Плоскостной транзистор Шокли.

1949–1953. Реализация точечного, а затем плоскостного транзи- стора в СССР (Красилов, Мадоян – Фрязино, НИИ 160; Калашников, Пенин–ЦНИИ 108).

1950–1955. Разработка систем оперативной памяти ЭВМ на дис- кретных ферритовых кольцах, буферной памяти на магнитных бара- банах, разработка и производство ферритов с ППГ, магнитных голо- вок, ферролаковых покрытий для магнитных лент и барабанов.

1956. Первый скоростной дисковый накопитель IBM (магнитный диск диаметром 635 мм).

1954. Изобретение квантового генератора (Басов, Прохоров). 1960. Первый оптический квантовый генератор-лазер (Меймен).

Старт квантовой электроники.

1962. Первые светодиоды и лазерные полупроводниковые диоды на GaAs

1953–1960. Массовое производство и внедрение дискретных тран- зисторов во всем мире. Развитие планарно-групповой технологии. Резкое сокращение сфер применения ламповой электроники. Созда-

99

ние полностью транзисторных радиоприемников, магнитофонов, те- левизоров, ЭВМ.

1959. Первые патенты в СЩА по созданию интегральных схем (малых, на 4–10 элементов), зарождение микроэлектроники.

1962. Начало серийного производства малых интегральных схем для ЭВМ в США и СССР.

1950–1970. Разработка и тиражирование гибридных интегральных схем и устройств.

1971. Выпуск пятидюймового флоппи-диска, емкость 720 КБ. Прослужил около двадцати лет. Затем дискета, 3,5-дюймовый флоп- пи-диск в жестком корпусе – 1,44 МБ.

1975. Магнитофонная компакт-кассета (Сони), фактический стан- дарт аудио-, а позже и видеозаписи до 2000-х годов.

1982. Совместная разработка фирм «Сони» и и «Филипс» – ком- пакт-диск с лазерной записью информации, первоначально 700 МБ, в процессе развития – до 9 ГБ, привод 130 мм, компакт-диск занял ме- сто пятидюймовой дискеты в корпусе персональных ЭВМ.

1971. Однокристальный микропроцессор IBM 4004, затем IBM 8008. Начало эры персональных компьютеров в форматах IBM PC и АРРLE.

1971–1973. Разработка первых вариантов фотоэлектронных мат- риц на приборах с зарядовой связью (ПЗС) и микроконтроллеров для управления или (НИИ «Пульсар»).

1970–1980. Разработка больших и сверхбольших (СБИС) инте- гральных схем для систем динамической оперативной памяти ЭВМ, вытеснение ферритовой оперативной памяти, как недостаточно тех- нологичной и недостаточно быстродействующей.

1985 – до настоящего времени. Малогабаритный накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД), в просторечии – винчестер. Продукт миниатюризации стационарного дискового накопителя, ос- новной до последнего времени узел архивной и буферной памяти персональных ЭВМ и серверов. Емкость винчестеров достигает де- сятков терабайт. Последний узел магнитной памяти, выдерживаю- щий конкуренцию с микросхемными накопителями.

1986. Цифровой (беспленочный) фотоаппарат фирмы «Сони». За- кат полуторавековой эпохи пленочной фотографии и сопутствующей фотохимии. Создание мегапиксельных фоточувствительных матриц и видеопроцессоров для обработки изображений

1980–1990. Разработка и внедрение в электронные системы новых узлов отображения визуальной информации: жидкокристаллических,

100