Впервые в мире установка для выращивания полупроводников отправлена на орбиту.
Полупроводниковые материалы отныне будут синтезировать в космосе. Ученые из Института физики полупроводников им. А.В.Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) по заказу Ракетно-космической корпорации «Энергия» им. С.П.Королёва (РКК «Энергия») разработали соответствующую установку. Проект «Экран-М» призван использовать преимущества космического вакуума для создания высокочистых полупроводников методом молекулярно-лучевой эпитаксии. На данный момент это единственная в мире подобная исследовательская программа.
Полупроводниковые материалы, к которым предъявляются повышенные требования, выращиваются методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Атомарно-тонкие слои «укладываются» друг на друга в сверхвысоком вакууме так, чтобы кристалл полупроводника обладал нужными свойствами, например, улавливал или излучал свет в определенном диапазоне или выдерживал высокое электрическое напряжение, при котором у менее «выносливых» материалов происходит пробой. Земные установки МЛЭ - крупногабаритные, дорогостоящие, сложные в производстве. Чистота вакуума в установках такова, что на миллиард атомов синтезируемого материала не встретится даже один посторонний атом. При этом в космосе гораздо легче достичь требуемых параметров вакуума и можно использовать одну камеру для осаждения всех элементов. Так возникла идея проекта «Экран-М» - провести синтез полупроводниковых соединений на орбите.
Специалисты ИФП СО РАН сделали «космическую» установку молекулярно-лучевой эпитаксии с нуля и с учетом ограничений: небольшого веса и габаритов, радиационной стойкости комплектующих, необычного поведения вещества в условиях воздействия факторов космического пространства.
– Глобальная цель «Экрана-М» - исследовать, насколько эффективен процесс выращивания эпитаксиальных слоев в космосе, как будут реализованы преимущества, которые предоставляет космический вакуум. В рамках проекта стартует начальная стадия развития технологии: отработка оборудования, анализ свойств полученного материала, - поясняет главный конструктор проекта, заведующий лабораторией ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Александр Никифоров.
– Новые данные о пилотируемой космонавтике подтверждают, что создание в космосе чистых полупроводниковых пленок методом молекулярно-лучевой эпитаксии - перспективное и в будущем коммерчески востребованное направление. Если говорить о долгосрочном продолжении эксперимента, оно предусматривается на планируемой Российской орбитальной станции, - подчеркивает заместитель руководителя научно-технического центра РКК «Энергия» Дмитрий Сурин.
Институт физики полупроводников известен в России и за рубежом благодаря работам в области молекулярно-лучевой эпитаксии, именно здесь изготовлены первые отечественные установки для синтеза полупроводниковых соединений методом МЛЭ, квантовых структур, изучены свойства полученных материалов. Большой опыт специалистов ИФП СО РАН позволил сделать совершенно новое оборудование для роста полупроводников в космосе.
– Все элементы установки были разработаны заново: и нагреватель подложки, и молекулярные источники, и механизм передачи подложек - в обычных наземных установках они сделаны иначе. Например, одно из технологических решений касается конструкции молекулярного источника, из которого испаряется материал, нужный для роста полупроводниковой пластины. В источнике находится тигель, в котором плавится (превращается в жидкость), а затем испаряется исходный материал, в нашем случае галлий или мышьяк. В невесомости жидкость собирается в шарики и разлетается по свободному пространству, покидая тигель и зону нагрева, делая невозможным рост кристалла на подложке. Поэтому над молекулярным источником нам пришлось сделать защитную мембрану с очень маленькими отверстиями, порядка 100 микрон. За счет поверхностного натяжения капли через отверстия не проходят, но испарение материала осуществляется. Так мышьяк и галлий попадают на подложку, и синтезируется тонкая кристаллическая пленка арсенида галлия, - рассказывает А.Никифоров.
Ростовая часть установки изготовлена в экспериментальном цехе Института физики полупроводников. Электронный блок управления разработан и сделан ООО НПФ «Электрон» (Красноярск) по техническому заданию ИФП СО РАН.
– На орбите космонавтам нужно будет установить оборудование, загрузить кассету с шестью подложками и повторить эту операцию по окончании первого ростового цикла (планируется, что он продлится примерно две недели). Всего запланированы два ростовых цикла, - объясняет заместитель главного конструктора проекта, научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Константин Фрицлер.
Сначала в космосе будет тестироваться наиболее простой процесс - гомоэпитаксия, то есть рост кристаллической пленки 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.
В перспективе новая информация, полученная учеными, может применяться для развертывания полупроводникового производства на орбите. В частности, так можно получать фоточувствительные материалы для солнечных батарей. Их изготовление подразумевает не только высокое качество (а значит, и сверхчистые условия получения) синтезируемого сырья, но и сопряжено с работой с токсичными соединениями. В космосе утилизация последних происходит автоматически, они покидают камеру, не причиняя вреда, в отличие от земных условий.
– Человечество стремится в космос, и вопрос организации внеземного производства материалов и изделий, необходимых для деятельности на орбите или при полетах к другим планетам, неизбежно встанет. Наш эксперимент - один из первых шагов в этом направлении, - считает К.Фрицлер.
Проект «Экран-М» входит в Долгосрочную программу целевых работ на МКС, утвержденную ГК «Роскосмос». 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 свернута после катастрофы шаттла «Колумбия» в 2003 году.
Работы в области «космической» эпитаксии стартовали в Институте физики полупроводников в 1996 году под руководством доктора физико-математических наук Олега Пчелякова. Много позже было подписано техническое задание на целевые работы по космическому эксперименту, на разработку научной аппаратуры - уже в рамках проекта «Экран-М». Главным конструктором стал А.Никифоров, а научным руководителем проекта - О.Пчеляков.
– Изготовление установки регламентировано ГОСТом и включает обязательные этапы: разработку эскизного проекта, затем разработку рабоче-конструкторской документации (РКД), изготовление опытного образца для лабораторно-отработочных испытаний, прохождение испытаний, корректировку РКД, изготовление опытного образца для конструкторско-доводочных испытаний (КД), сами испытания (с возможной корректировкой КД) и уже только потом изготовление летного образца. Вся космическая техника разрабатывается именно так, - резюмирует А.Никифоров.
Установка прошла все испытания, и 11 сентября летный образец отправлен на МКС.
Надежда Дмитриева
Обложка: фото пресс-службы ИФП СО РАН
