Мини-фабрику из Новосибирска установили в космосе

Оборудование Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН установлено снаружи Международной космической станции космонавтами Сергеем Рыжиковым и Алексеем Зубрицким. На станции им помогал Олег Платонов.

Задача эксперимента «Экран-М» — отработать технологию создания высокочистых пленок арсенида галлия в космосе. Такие многослойные структуры используются в солнечных батареях. Кстати говоря, американские, китайские и европейские крупные компании еще только планируют вывод в космос производств и дата-центров. А Россия уже их делает.

На Международной космической станции продолжается полёт российских участников 73-й длительной экспедиции — космонавтов Роскосмоса Сергея Рыжикова, Алексея Зубрицкого и Олега Платонова. Работы у них много. Например, 1 октября по программе полёта российского сегмента станции выполнены:

— эксперимент «Экран-М» (синтез полупроводниковых многослойных материалов в космическом вакууме за молекулярным экраном);

— эксперимент «Вампир» (выращивание кристаллов твердых растворов на основе теллурида кадмия-цинка методом движущейся зоны растворителя во вращающемся магнитном поле);

— эксперимент «Ураган» (отработка технических средств и методов контроля развития катастрофических явлений природного и техногенного характера на Земле или их предвестников);

— эксперимент «О Гагарине из космоса» (открытая передача с борта РС МКС по радиолюбительскому каналу связи на наземные приемные станции радиолюбителей всего мира изображений, фотоматериалов, посвященных жизни и деятельности первого космонавта Ю.А. Гагарина);

— эксперимент «Экон-М» (фотосъемка Земли для оценки экологической обстановки);

— эксперимент «Идентификация» (исследование динамики конструкции МКС при различных внешних силовых воздействиях с учётом изменения модульного состава МКС);

— медицинское обследование ИМ-CO2 (индивидуальный мониторинг содержания углекислого газа);

— техническое обслуживание систем обеспечения жизнедеятельности;

— физические упражнения в полном объёме.

«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 издания «Pro Космос» 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.

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.

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).

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.

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.

«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.

Установку «Экран-М» доставили на МКС в сентябре 2025 года с помощью грузового корабля «Прогресс МС-32».