«Экран-М»: как Россия выращивает сверхчистые полупроводники в космосе
«Экран-М» — это уникальная российская установка для производства полупроводников на орбите. В ней будут выращивать арсенид галлия — материал для солнечных батарей, лазеров и светодиодов. В чем суть эксперимента, какова его главная цель и перспективы, объясняет эксперт Pro Космоса Игорь Афанасьев.
Создание сверхчистых полупроводников — сложнейшая техническая задача. На Земле для этого используют крупногабаритное оборудование, которое сложно и дорого в производстве и эксплуатации. В космосе же достичь условий для роста идеальных кристаллов намного проще. Но зачем нужны эксперименты, подобные «Экрану-М»?
Их успешные результаты могут лечь в основу строительства целых орбитальных фабрик, где будут производить полупроводники для мировой промышленности. Кроме того, это важно и в стратегическом плане.
Установку «Экран-М» создали специалисты Института физики полупроводников имени А.В. Ржанова Сибирского отделения (ИФП СО) РАН по заказу РКК «Энергия». Эксперимент основан на принципе молекулярно-лучевой эпитаксии.
Что такое молекулярно-лучевая эпитаксия
Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) — это метод выращивания тонких кристаллических пленок полупроводников, металлов, диэлектриков и магнитных материалов в условиях сверхвысокого вакуума. В этом процессе вещества, из которых затем формируется пленка, нагреваются до высоких температур и испаряются, образуя молекулярные пучки, которые направленно осаждаются на нагретую монокристаллическую подложку.
Поскольку молекулярные пучки без препятствий распространяются в вакууме, для проведения МЛЭ используется герметичная камера, из которой удален воздух. Этим же способом предотвращается загрязнение пленки посторонними атомами. Нагретая подложка играет ключевую роль: молекулярные пучки, состоящие из элементов или соединений, взаимодействуют с ней и друг с другом, формируя кристаллически упорядоченные слои. Этот послойный рост позволяет создавать пленки с высокой точностью — толщиной вплоть до одного атома — что особенно важно для контроля структуры материала.
Одним из главных преимуществ МЛЭ является возможность формирования резких границ между различными слоями толщиной в один атом, что критически важно для нанотехнологий и материалов, используемых в микроэлектронике. Метод позволяет образовывать сложные многослойные структуры с заданными свойствами, например, кристаллы полупроводников, способные улавливать или излучать свет в определенном диапазоне, а также выдерживать высокое электрическое напряжение.
Кроме того, технология позволяет точно контролировать введение примесей в пленку, что делает процесс более предсказуемым и эффективным. Еще одна важная особенность МЛЭ — возможность исследования in situ. Это означает, что во время роста пленки можно проводить мониторинг и анализ ее качества непосредственно в ростовой камере. Это позволяет оперативно корректировать параметры процесса, обеспечивая высокое качество конечного продукта.
Преимущества и недостатки молекулярно-лучевой эпитаксии
Описанный метод является важным инструментом в современной промышленности. Он широко используется для производства сложных устройств, где требуется высокая точность контроля структуры материалов. Это, прежде всего подготовка полупроводниковых (кремниевых) пластин — монокристаллических дисков, на которых формируются микросхемы. МЛЭ особенно эффективен для работы с полупроводниковыми соединениями, такими как арсенид галлия (GaAs) и фосфид индия (InP), которые являются основой для многих современных приборов. Этот метод позволяет создавать наноструктуры с высокой степенью точности, что критично для оптоэлектроники и микроэлектроники.
Несмотря на свои преимущества, промышленное производство с применением МЛЭ обладает рядом значительных недостатков. Во-первых, это высокая стоимость и сложность оборудования, требующего сверхвысокого вакуума. Во-вторых, низкая производительность ограничивает его применение в массовом выпуске деталей и компонентов.
Кроме того, метод применим лишь для небольшого списка материалов, которые должны испаряться или сублимироваться при высоких температурах без разложения. Синтез некоторых соединений, таких как нитриды, затруднен из-за необходимости еще более высоких температур. Другие вещества, которые добавляют в газовую смесь для легирования эпитаксиального слоя, зачастую высоко токсичны (например, фосфин PH3 и арсин AsH3) и взрывоопасны (диборан B2H6).
Применение молекулярно-лучевой эпитаксии в космосе
В условиях космического полета технология МЛЭ приобретает ряд значительных преимуществ. Одно из главных достоинств этого метода заключается в том, что в космосе уже существует естественный высокий вакуум. На Земле для его создания необходимо сложное и дорогостоящее оборудование.
В космосе не нужны индивидуальные камеры для работы с каждым химическим элементом — достаточно одной общей. Неиспользованный материал, который не был затрачен в ходе синтеза полупроводникового соединения, выходит за пределы камеры и испаряется в открытом космосе. Это предотвращает его осаждение на стенках и упрощает процесс.
Эксперимент «Мираж»: как российские космонавты выращивают полупроводники на МКС
В отличие от «земных» камер установки МЛЭ, у «космической» нет задней стенки, камера защищена молекулярным экраном спереди и с боков. При движении на большой скорости (а МКС летит со скоростью почти 7,7 км/сек) за экраном, выставленным поперек потока, возникает повышенный вакуум. На высоте орбиты станции еще есть остаточный газ. Однако из-за того, что экран движется со скоростью в 3–4 раза выше средней скорости молекул окружающего газа, лишь незначительная доля последних может попасть в зону позади экрана.
Еще одно важное преимущество — безопасное удаление токсичных соединений. После завершения синтеза они, как и неиспользованный материал, покидают камеру и рассеиваются в космосе. На Земле утилизация таких отходов требует ручного труда, что связано с повышенными рисками и затратами.
При разработке оборудования для орбитального производства приходится учитывать серьезные ограничения, связанные с поведением материалов в условиях космической среды. Например, ученые ИФП СО РАН изменили конструкцию молекулярных источников, где испаряется материал для выращивания полупроводниковых пластин. Исследователи сформировали защитные мембраны с микроотверстиями. Это предотвращает попадание жидких капель и обеспечивает надежность работы оборудования.
Цели эксперимента «Экран-М»
«Экран-М» — это эксперимент, направленный на проверку оборудования и создание технологий синтеза пленок арсенида галлия на орбите. Также планируется анализ свойств полученного материала.
«Экран-М» стал первым в нашей стране экспериментом по тестированию технологии МЛЭ в условиях космического вакуума и невесомости. Если все получится, на орбите можно будет серийно производить фоточувствительные материалы для солнечных батарей и другие полупроводники.
Основные цели эксперимента:
использовать космический вакуум. Провести эксперименты в условиях сверхглубокого вакуума (10⁻¹²–10⁻¹⁴ Торр), который невозможно достичь на Земле (10⁻¹⁰ Торр — параметры вакуума в «земных» установках МЛЭ);
оценить эффективность МЛЭ в космосе. Исследовать, насколько процесс выращивания эпитаксиальных слоев в условиях вакуума и невесомости лучше земных технологий;
протестировать оборудование. Отработать установку «Экран-М» в разных режимах, проверить вакуумно-механическую аппаратуру, термическое обезгаживание и механические интерфейсы;
синтезировать и проанализировать материалы. Вырастить полупроводниковые пленки, например, арсенид галлия (GaAs), и изучить их свойства в лабораториях ИФП СО РАН. Сравнить с земными образцами;
разработать основу для промышленного производства. Подготовить технологии для масштабного выпуска полупроводников на орбите.
Устройство установки «Экран-М» и этапы эксперимента
«Экран-М» разработали с учетом ограничений по массе, размерам и радиационной устойчивости, накладываемых на объекты, запускаемые для работы снаружи МКС. Установка включает вакуумно-механическое оборудование: нагреватели подложек, молекулярные источники и механику передачи подложек, адаптированные для работы в невесомости. Поскольку сама станция немного «газит» (материалы оболочки сублимируют, также в окружающее пространство уходят утечки газа из внутренней атмосферы модулей), для защиты рабочей зоны от молекулярных потоков станции на теневой стороне модуля МКС космонавты установят малый защитный экран (МЗЭ), создающий зону сверхглубокого вакуума.
Откуда на МКС кислород и почему она не падает на Землю: глупые вопросы
Одна из инноваций — молекулярный источник с защитной мембраной. Тигель с материалами (например, галлием или мышьяком) оснащен перегородкой с микроотверстиями около 100 микрон. Эти отверстия пропускают пары, но удерживают жидкость благодаря поверхностному натяжению, предотвращая разброс капель в невесомости.
Для контроля вакуума используется аппаратура, отслеживающая уровень разрежения в рабочей зоне. Это обеспечивает оптимальные условия для молекулярно-лучевой эпитаксии. Управление процессом, сбор данных и питание системы осуществляются специальными блоками управления. Все элементы установки были созданы с нуля, что подчеркивает уникальность инженерного подхода.
Космонавты загружают кассету с шестью подложками (например, из арсенида галлия) в установку. Подложки очищаются путем прогрева в вакуумной зоне для устранения загрязнений. Затем в молекулярном источнике твердые материалы (галлий и мышьяк) нагреваются до плавления и испаряются. Защитная мембрана предотвращает вылет жидких капель, пропуская только пары. Пары легирующих материалов оседают на подложку, формируя кристаллическую нанопленку.
В рамках эксперимента используется гомоэпитаксия — выращивание арсенида галлия на подложке из того же материала — из арсенида галлия. Это наиболее простой и хорошо изученный метод, позволяющий протестировать установку и сравнить космические образцы с земными. Арсенид галлия выбран как модельный материал благодаря его широкому применению в электронике, включая солнечные батареи, лазеры и фотодиоды.
Электронные системы регулируют температуру, давление и другие параметры, обеспечивая стабильность синтеза. Планируется два ростовых цикла по две недели каждый. После первого цикла космонавты заменят кассету для второго этапа.
Перспективы промышленного производства в космосе
Эксперимент «Экран-М» стартует с гомоэпитаксии – осаждении пленки арсенида галлия на подложке из такого же материала. Затем планируется перейти к гетероэпитаксии, то есть к выращиванию структур из разных материалов, таких как GaAs/Ge/GaAs. В ходе эксперимента планируется проверить будут ли гетероэпитаксиальные структуры обладать характеристиками, недостижимыми на Земле. Они и в результате позволят создавать сложные многослойные системы с улучшенными характеристиками. Например, помогут повысить КПД солнечных элементов.
Проверка метода МЛЭ поможет отработать выращивание полупроводниковых кристаллических материалов в невесомости. Это необходимо для будущего промышленного производства в космосе. Успешные результаты тестов могут привести к созданию орбитальных фабрик, производящих полупроводники для мировой промышленности. Создание сверхчистых полупроводников без дефектов крайне важно для высокотехнологичных приложений. Это укрепит технологический суверенитет России.
Эксперимент «Экран-М» — первый шаг обещает к производству полупроводников на орбите. С его помощью планируется выяснить, позволят ли космический вакуум и невесомость создавать сверхчистые материалы с уникальными свойствами. Установка, разработанная ИФП СО РАН, включает инновационные решения. Дмитрий Сурин, заместитель руководителя научно-технического центра РКК «Энергия», подчеркнул, что проект «Экран-М» имеет и научное, и коммерческое значение. Он может стать основой для нового направления в пилотируемой космонавтике.
Установку «Экран-М» доставили на МКС в сентябре 2025 года с помощью грузового корабля «Прогресс МС-32». Вместе с ней на орбиту прибыл новый скафандр «Орлан-МКС». Как он устроен, сколько весит и для чего используется — сделали подробный разбор.
Основная задача «Орлана-МКС» — обеспечивать выход в открытый космос. Для таких же целей используется и американский EMU. Чем они похожи и чем отличаются — подготовили большой материал.
А о самых запоминающихся выходах в открытый космос рассказали здесь.
