Специалисты из Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) по заказу Ракетно-космической корпорации «Энергия» создали систему для получения полупроводниковых материалов в условиях космоса. В рамках проекта «Экран-М» планируется использовать уникальные свойства космического вакуума для производства полупроводников высокой степени чистоты с помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии. В настоящий момент это уникальная в мировом масштабе исследовательская инициатива. Установка успешно прошла все необходимые проверки и была отправлена на Международную космическую станцию.
Полупроводниковые материалы, для которых требуются высокие характеристики, производятся с использованием метода молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Атомарно тонкие слои последовательно наносятся друг на друга в условиях сверхвысокого вакуума, чтобы кристалл полупроводника имел заданные свойства, такие как способность поглощать или испускать свет в конкретном диапазоне длин волн, или способность выдерживать значительное электрическое напряжение, при котором менее надежные материалы разрушаются. Наземные установки МЛЭ отличаются большими размерами, высокой стоимостью и сложностью изготовления. Следует подчеркнуть, что Институт физико-технологических проблем СО РАН является одной из немногих организаций в России, обладающих необходимыми знаниями и опытом для производства такого оборудования. Степень чистоты вакуума в установках настолько высока, что на миллиард атомов создаваемого материала не обнаруживается даже одного постороннего атома. Для осаждения каждого отдельного химического элемента требуется собственная вакуумная камера, чтобы исключить загрязнение другими соединениями.
В условиях космического пространства значительно проще обеспечить необходимые характеристики вакуума, что позволяет использовать единую камеру для осаждения всех компонентов. Именно это послужило отправной точкой для разработки проекта «Экран-М», предполагающего проведение синтеза полупроводниковых соединений на орбите. Ученые Института физико-технологического центра СО РАН создали «космическую» установку молекулярно-лучевой эпитаксии, спроектировав ее с учетом существующих ограничений: малого веса и размеров, устойчивости к радиации и особенностей поведения материалов в условиях воздействия космической среды.
«Главная задача проекта “Экран-М” заключается в изучении эффективности формирования эпитаксиальных слоёв в условиях космоса и выявлении преимуществ, обусловленных космическим вакуумом. В рамках проекта будет начата разработка технологии молекулярно-лучевой эпитаксии в космосе, включающая в себя отработку оборудования и анализ характеристик полученного материала», — поясняет главный конструктор проекта, заведующий лабораторией ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Александр Иванович Никифоров.
В НПО «Энергия» подчеркивают, что разработка полупроводниковых материалов в условиях космического пространства с использованием метода молекулярно-лучевой эпитаксии является важным этапом на пути к укреплению технологической независимости.
«Полученные недавно сведения о пилотируемых космических полетах указывают на то, что получение чистых полупроводниковых пленок в космосе посредством молекулярно-лучевой эпитаксии – многообещающее и потенциально прибыльное направление. С точки зрения инженеров, это выдающийся проект, представляющий значимость как для технологии, так и для науки, а также для дальнейшего развития производства на орбите.
На начальном этапе проекта будет разработан метод создания технологии синтеза пленок в условиях орбиты. На основе полученных данных можно будет спрогнозировать необходимые ресурсы для производства. В перспективе, если говорить о дальнейшем развитии эксперимента, то речь идет о планируемой Российской орбитальной станции (РОС). Мы полагаем, что следует стремиться к продолжению эксперимента на РОС», — поясняет заместитель руководителя научно-технического центра Ракетно-космической корпорации «Энергия» им. С.П. Королева (РКК «Энергия») Дмитрий Михайлович Сурин.
Эпитаксия уходит в космос
Институт физики полупроводников имеет широкую известность в России и за рубежом, благодаря собственным исследованиям в области молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Именно в этом институте были созданы первые отечественные установки для синтеза полупроводниковых соединений методом МЛЭ, а также квантовых структур, и изучены характеристики полученных материалов. Обширный опыт сотрудников ИФП СО РАН позволил разработать принципиально новое оборудование для выращивания полупроводников в условиях космического пространства.
«Все компоненты установки были переработаны, включая нагреватель подложки, молекулярные источники и механизм их перемещения – в стандартных наземных системах эти элементы имеют иную конструкцию.
Одним из технологических решений является конструкция молекулярного источника, обеспечивающего испарение вещества, необходимого для формирования полупроводниковой пластины. Внутри источника расположен тигель, где исходный материал, в частности галлий или мышьяк, плавится, а затем испаряется. В условиях отсутствия гравитации жидкость формирует сферические капли, которые распространяются в свободном пространстве, покидая тигель и область нагрева. Это препятствует росту кристалла на подложке. В связи с этим над молекулярным источником была создана защитная мембрана с микроскопическими отверстиями, диаметром около 100 микрон. Благодаря поверхностному натяжению капли не проходят через эти отверстия, но при этом происходит испарение вещества. Таким образом, мышьяк и галлий осаждаются на подложку, что позволяет синтезировать тонкую кристаллическую пленку арсенида галлия», — отмечает Александр Никифоров.
Дмитрий Сурин также отметил, что разработка проекта осуществлялась « в режиме единой команды, без чинов и регалий. В коллективе увлеченных профессионалов, возникает атмосфера команды единомышленников: мы вместе с коллегами из ИФП СО РАН преодолевали возникающие сложности, находили возможности двигаться по графику. Подготовка к работе на орбите не предполагает каких-то открытий. Наоборот, мы должны максимально предусмотреть все режимы, все ответы, нештатные ситуации, которые получаем в процессе».
Изготовление ростовой камеры было выполнено в экспериментальном цехе Института физики полупроводников. Электронный блок управления спроектирован и произведен компанией ООО НПФ «Электрон» (Красноярск) на основании технического задания ИФП СО РАН.
«На орбите космонавтам предстоит установить необходимое оборудование, загрузить кассету с шестью подложками и повторить эту процедуру после завершения первого цикла выращивания (его продолжительность составит около двух недель). В общей сложности предусмотрено проведение двух таких циклов», — объясняет заместитель главного конструктора проекта, научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Константин Бернгардович Фрицлер.
Что тестируем?
В условиях космического пространства будет проверен наиболее элементарный метод – гомоэпитаксия, подразумевающая формирование кристаллической пленки на основе материала, идентичного по составу подложки. В данном случае речь идет о синтезе арсенида галлия на подложке, также изготовленной из арсенида галлия. Этот полупроводник широко распространен и находит применение в силовой электронике, при создании лазеров, фотодиодов и солнечных батарей.
«Поскольку особенности эпитаксиального роста арсенида галлия достаточно хорошо проработаны, он был выбран для проведения модельных исследований. Сравнение полупроводниковых материалов, полученных в космических условиях, с образцами, созданными на Земле, будет осуществляться в Институте физико-химических процессов СО РАН. Мы обладаем значительным опытом в области выращивания и изучения различных эпитаксиальных материалов, в том числе арсенида галлия. Нам доступны методы синтеза, анализа, а также необходимое оборудование. Помимо этого, существует обширная база зарубежных публикаций, что позволит провести максимально объективную оценку космических структур», — объясняет Александр Никифоров.
Потенциально, данные, полученные исследователями, могут быть применены для организации производства полупроводниковых материалов в космосе. В первую очередь, это касается создания фоточувствительных веществ, необходимых для солнечных батарей. Их производство требует не только обеспечения высокого качества синтезируемого сырья (что подразумевает создание сверхчистых условий), но и предполагает использование токсичных соединений. В условиях космоса их утилизация осуществляется автоматически, поскольку они выводятся из камеры и не наносят вреда, в то время как на Земле это сопряжено с определенными сложностями.
«Стремление человечества к освоению космоса обуславливает необходимость организации производства материалов и изделий за пределами Земли, что потребуется для работы на орбите и межпланетных перелётов. Наш эксперимент представляет собой один из первых шагов в этом направлении. Приобретённый уникальный опыт, связанный с созданием и эксплуатацией космического технологического оборудования в условиях орбитального полёта, станет основой для последующих разработок. Вопросы, касающиеся проведения следующих экспериментов по выращиванию полупроводниковых плёнок в космосе, уже обсуждаются со специалистами РКК “Энергия”», — подчеркивает Константин Фрицлер.
«Экран-М» — он такой один
Проект «Экран-М» включен в Долгосрочную программу целевых работ на МКС, которая была утверждена ГК «Роскосмос» и относится к разделу «Эксперименты и исследования научно-поискового и фундаментального характера». На сегодняшний день в мире нет аналогов данного проекта, хотя схожие исследования проводились в США в период с 1990-х до начала 2000-х годов. Руководителем этих работ был профессор Алекс Игнатьев из Хьюстонского университета, однако они были прекращены после аварии космического челнока «Колумбия» в 2003 году.
Исследования в области «космической» эпитаксии начались в Институте физики полупроводников в 1996 году под руководством профессора Олега Петровича Пчелякова, доктора физико-математических наук. Значительно позже было оформлено техническое задание на проведение специализированных работ для космического эксперимента и на создание научной аппаратуры – уже в рамках проекта «Экран-М». Александром Никифоровым был осуществлен главный конструкторский надзор, а Олег Пчеляков выступил научным руководителем проекта.
«Процесс создания установки регулируется ГОСТом и состоит из обязательных этапов: сначала выполняется разработка эскизного проекта, после чего создается рабочая конструкторская документация (РКД). Далее изготавливается опытный образец для проведения лабораторно-отработочных испытаний, после чего он проходит испытания. Затем производится корректировка РКД, изготавливается опытный образец для конструкторско-доводочных испытаний (КД), проводятся сами испытания (с возможной корректировкой РКД) и только после этого создается лётный образец.
Именно таким образом создается вся космическая техника, и это результат многолетней работы большого количества специалистов», — резюмирует Александр Никифоров.
Информация и фото предоставлены пресс-службой ИФП СО РАН