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 определённом диапазоне или выдерживал высокое электрическое
напряжение, при котором у менее «выносливых» материалов происходит пробой.
Земные установки МЛЭ — крупногабаритные, дорогостоящие, сложные в производстве.
ИФП СО РАН — одна из немногих организаций в России, владеющая компетенциями для
изготовления подобного оборудования. Чистота вакуума в установках такова, что
на миллиард атомов синтезируемого материала не встретится даже один посторонний
атом. А для осаждения каждого отдельного химического элемента нужна собственная
вакуумная камера, чтобы не загрязнять её другими соединениями.
Внешний вид установки для роста полупроводников в
космосе. КНА МЛЭ — «Комплекс научной аппаратуры молекулярно-лучевой эпитаксии»
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, с учётом
ограничений — небольшого веса и габаритов, радиационной стойкости
комплектующих, необычного поведения вещества в условиях воздействия факторов
космического пространства.
«Глобальная цель „Экран-М“ — исследовать,
насколько эффективен процесс роста эпитаксиальных слоёв в космосе, как будут
реализованы преимущества, которые предоставляет космический вакуум. В рамках
проекта стартует начальная стадия развития технологии молекулярно-лучевой
эпитаксии в космосе: отработка оборудования, анализ свойств полученного
материала», — прокомментировал главный конструктор проекта,
заведующий лабораторией ИФП СО РАН Александр Никифоров.
Внутри установки: четыре молекулярных источника и
подложка
В РКК «Энергия» отмечают значимость проекта по
созданию полупроводниковых материалов в космосе методом молекулярно-лучевой
эпитаксии, как важный шаг в направлении технологического суверенитета.
«Новые данные о пилотируемой
космонавтике говорят о том, что создание в космосе чистых полупроводниковых
плёнок методом молекулярно-лучевой эпитаксии — перспективное и в будущем
коммерчески востребованное направление. Как инженеры мы видим, что это
исключительный проект и для технологии, и для науки, и для развития в
дальнейшем производства на орбите. На первом этапе проекта будет отработан
подход к созданию технологии синтеза плёнок на орбите. А уже на основе
полученных результатов можно прогнозировать, что потребуется для производства.
Если говорить о долгосрочном продолжении эксперимента, речь пойдёт о
планируемой Российской орбитальной станции (РОС). Мы считаем, что претендовать
на продолжение эксперимента на РОС можно и нужно»,
— рассказал заместитель руководителя научно-технического центра
Ракетно-космической корпорации «Энергия» им. С.П. Королева (РКК
«Энергия») Дмитрий Сурин.
Электронный
блок управления
Александр Никифоров рассказал о новой установке для
выращивания полупроводников в космосе, разработанной в ИФП СО РАН: «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 счёт 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».
Съёмная
кассета с подложками
Ростовая часть установки изготовлена в экспериментальном
цехе ИФП СО РАН. Электронный блок управления разработан и сделан ООО НПФ
«Электрон» (Красноярск) по техническому заданию института.
«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 запланировано два ростовых цикла»,
— объяснил заместитель главного конструктора проекта, научный сотрудник ИФП СО
РАН Константин Фрицлер.
Элементы
для съёма кассеты
В космосе будет тестироваться пока наиболее простой
процесс — гомоэпитаксия, то есть рост кристаллической 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.
«Эпитаксиальный рост арсенида галлия
хорошо изучен, поэтому он был выбран как модельный объект. Сравнение полученных
в космосе полупроводниковых материалов с наземными будет проводится в ИФП СО
РАН. У нас большой опыт выращивания и исследования разных эпитаксиальных
материалов, включая арсенид галлия. Мы владеем методиками синтеза, анализа,
собственным оборудованием. Кроме того, есть и огромное количество зарубежных
публикаций, поэтому оценка выращенных в космосе структур будет максимально
представительной», — объяснил Александр Никифоров.
В перспективе новая информация, полученная учёными,
может использоваться для развертывания полупроводникового производства на
орбите. В частности, для получения фоточувствительных материалов 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 полётах к другим планетам, неизбежно
встанет. Наш эксперимент — один из первых шагов в этом направлении. Полученный
уникальный опыт конструирования космического технологического оборудования и
его эксплуатации в условиях орбитального полета будет использован для
дальнейших разработок. Обсуждение следующих экспериментов по росту плёнок
полупроводниковых материалов в космосе уже ведётся со специалистами РКК
„Энергия“», — подчеркнул Константин Фрицлер.
Проект «Экран-М» входит в Долгосрочную программу
целевых работ на МКС, утверждённую ГК «Роскосмос», раздел «Эксперименты и
исследования научно-поискового и фундаментального характера». Аналогичных
проектов в мире сейчас нет. Работы в области «космической» эпитаксии стартовали
в Институте физики полупроводников в 1996 году под руководством доктора
физико-математических наук профессора Олега Петровича 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 Александр Никифоров, а научным
руководителем проекта — Олег Пчеляков.