Установка для выращивания полупроводников в Космосе
К полупроводниковым материалам предъявляются повышенные требования. В частности, полупроводниковые гетероструктуры должны быть свободны от посторонних примесей, то есть быть высокочистыми.
Земные установки молекулярно-лучевой эпитаксии — крупногабаритные, дорогостоящие и сложны в производстве. Предельная глубина вакуума, достижимая в наземных технологических установках, 10-10 Тор. А для осаждения каждого отдельного химического элемента нужна собственная вакуумная камера, чтобы не загрязнять её другими соединениями. Однако для получения полупроводниковых устройств с высокой степенью чистоты подобного вакуума недостаточно. Требуемых параметров вакуума — 10-12 — 10-14 Тор и глубже — гораздо легче достичь в космосе. Кроме того, в космических условиях можно использовать одну камеру для осаждения всех элементов.
Работы по выносу высоковакуумных технологий в открытый космос начались в нашей стране в 1996 году в Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН). Были разработаны программы «Эпитаксия» и «Экран». Много позже появилось техническое задание от Ракетно-космической корпорации «Энергия» им. С. П. Королёва, предусматривающее проведение работ по космическому эксперименту, который включал разработку научной аппаратуры, — уже в рамках проекта «Экран-М». Главным конструктором работ стал доктор физико-математических наук Александр Иванович Никифоров, а научным руководителем — доктор физико-математических наук Олег Петрович Пчеляков. Глобальная цель проекта «Экран-М» — исследовать, насколько эффективно выращивание эпитаксиальных слоёв в условиях космоса, а также как реализуются преимущества, предоставляемые космическим вакуумом.
Аналогичных проектов в мире сейчас нет, похожие исследования проводились в США в 1990-х — начале 2000-х годов, и во главе стоял профессор Алекс Игнатьев из Хьюстонского университета, но деятельность была свёрнута после катастрофы шаттла «Колумбия» в 2003 году.
ИФП СО РАН для реализации проекта выбран не случайно. Именно здесь были изготовлены первые отечественные установки для синтеза полупроводниковых соединений методом молекулярно-лучевой эпитаксии, квантовых структур, изучены свойства полученных материалов. (Отметим, что электронный блок управления установкой разработан и сделан в ООО НПФ «Электрон», г. Красноярск.)
Разработанная сотрудниками ИФП СО РАН установка для синтеза полупроводниковых материалов в космосе прошла все предполётные испытания и 11 сентября 2025 года отправлена на МКС на транспортном грузовом корабле «Прогресс МС-32», который 13 сентября успешно пристыковался к модулю «Звезда» российского сегмента Международной космиче-ской станции.
При создании космической установки молекулярно-лучевой эпитаксии учитывались строгие ограничения по её массе и размерам, специфика поведения материалов в открытом космосе, а также требование радиационной стойкости для комплектующих. Все элементы установки для выращивания полупроводниковых структур в космосе: нагреватель подложки, молекулярные источники, механизм передачи подложек — разработаны заново. В обычных наземных установках они сделаны иначе. Так, одно из технологических решений связано с конструкцией молекулярного источника, откуда происходит испарение материала, необходимого для роста полупроводниковой пластины. В источнике находится тигель, где исходный материал сначала расплавляется (превращается в жидкость), а затем испаряется — в данном случае используются мышьяк и галлий. В невесомости жидкость собирается в шарики и разлетается по свободному пространству, покидая тигель и зону нагрева. В итоге рост кристалла на подложке становится невозможным. Поэтому над молекулярным источником специалисты сделали защитную мембрану с микроскопическими отверстиями около 100 мкм. Благодаря эффекту поверхностного натяжения капли через эти поры не проходят, однако материал успешно испаряется. Таким образом, атомы мышьяка и галлия попадают на подложку и формируется тонкая кристаллическая плёнка арсенида галлия.
На первом этапе проекта планируется отработать оборудование для молекулярно-лучевой эпитаксии в космосе и в целом подход к созданию технологии синтеза плёнок на орбите и затем проанализировать свойства полученных материалов уже в лаборатории на Земле.
Предполагается протестировать наиболее простой процесс — гомоэпитаксию, то есть рост кристалличе-ской плёнки на подложке того же состава. В данном случае синтезируется арсенид галлия на подложке из арсенида галлия. Это один из самых популярных полупроводников — он используется в силовой электронике, для изготовления лазеров, фотодиодов, солнечных батарей. Кроме того, эпитаксиальный рост арсенида галлия хорошо изучен и потому подходит в качестве модельного объекта. Полученные в космосе полупроводниковые материалы по возвращении на Землю сравнят с наземными.
В перспективе информация, полученная в ходе экспериментов, может использоваться для развёртывания полупроводникового производства на орбите. В частности, для получения фоточувствительных материалов для солнечных батарей. Их изготовление не только требует высокого качества синтезируемого сырья, но и сопряжено с работой с токсичными соединениями. В космосе утилизация последних происходит автоматически, они покидают камеру, не причиняя вреда.
По информации пресс-службы ИФП СО РАН.
Читайте в любое время
