Экран-М

Экран-М
Шифр эксперимента: Экран-М
Направление НПИ: 1. Физико-химические процессы и материалы в условиях космоса
Секция КНТС: Космическое материаловедение
Наименование эксперимента: Отработка средств создания стабильной высоковакуумной зоны (с уровнем разрежения порядка 10....10 мм рт.ст.) в аэродинамическом следе за бортом космической станции при поперечном обтекании набегающим потоком защитного экрана
Цель эксперимента:

Целью проведения КЭ является поэтапная экспериментальная отработка комплекса аппаратуры молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), предназначенной для выращивания полупроводниковых структур типа А4В4, А3В5 и их композиций в зоне сверхвысокого вакуума (с предельным уровнем разрежения 10-8... 10-12 Па) за защитным экраном в условиях орбитального полета.

Описание эксперимента:

Одним из уникальных технологических факторов космического пространства является сверхглубокий вакуум, параметры которого (10-14 Тор) недостижимы в земных условиях. И если на высоких орбитах (вывод технологического КА на которые дорог) он присутствует в собственной внешней атмосфере КА, то на низких орбитах (вывод технологического КА на которые более дёшев) он достигается за счёт разворачивания малого защитного экрана миделем по вектору скорости КА и образованием в спутной тени необходимых параметров вакуума.

Одной из перспективных технологий, для которой необходим глубокий вакуум космического пространства, является технология молекулярно-лучевой эпитаксии.

КЭ «Экран–М» предназначен для получения расчётных параметров вакуума за малым защитным экраном на орбите МКС и проведения исследовательских работ по отработке технологических операций молекулярно-лучевой эпитаксии в космосе. Малый защитный экран защищает рабочую зону, в том числе, от атомных и молекулярных потоков собственной внешней атмосферы (СВА) МКС.

КЭ «Экран–М» рассматривается как звено в чреде планируемых работ по внедрению молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) в опытно-промышленное производство в космосе.

МЛЭ является основной технологией по созданию эпитаксиальных гетероструктур, которые востребованы в различных областях техники:: солнечная энергетика, приборное производство - от БИС до лазерной и СВЧ техники и т.д. В основе метода лежит осаждение испаренного в молекулярном источнике вещества на кристаллическую подложку. Реализация данной технологии на Земле требует чрезвычайно сложных технических решений и основная проблема, с которой столкнулись в наземных условиях это создание и поддержание в рабочей камере установки сверхвысокого вакуума.

 Таким образом, ключевым параметром проведения МЛЭ является наличие сверхглубокого вакуума - чем глубже степень разряжения, тем качественнее может быть получена конечная продукция. Предельная глубина вакуума, достижимая в наземных технологических установках, -10-10 Тор (мм.рт.ст.), при этом лимитирующим фактором становится молекулярный фон от стенок камеры. Исследования, расчёты и проработка конструктивных решений, проведенных в «ФГУП ЦНИИМАШ», показывают, что на КА, находящихся на НКО, можно достичь уровня вакуума 10-12 -10-14 Тор (мм.рт.ст.) и глубже, что в среднем на три порядка лучше, чем на Земле.

КЭ планируется проводить в несколько этапов, цели и задачи которых корректируются по мере разработки эксперимента.

На первом этапе КЭ отрабатываются:

- конструкция малого защитного экрана (МЗЭ), устанавливаемого вблизи внешней поверхности на теневой стороне модуля СО1;

- вакуумно-механическая аппаратура (ВМА), включающая в себя элементы и узлы, необходимые для реализации и отработки метода МЛЭ;

- аппаратура для измерения уровней разрежения в технологической зоне за МЗЭ;

- электронные блоки, обеспечивающие электропитание, сбор и передачу информации и управление комплексом аппаратуры КЭ "Экран-М".

На последующих этапах КЭ отрабатываются:

- бортовая установка МЛЭ, оснащенная дополнительной контрольно- измерительной и диагностической аппаратурой и размещаемая за защитным экраном диаметром ~ 3 м;

- бортовой комплекс "Тюльпан", обеспечивающий удаление аппаратуры МЛЭ на 18-20 м от модулей станции, а также ориентацию экрана перпендикулярно набегающему потоку;

- автоматизированная технологическая установка МЛЭ для синтеза полупроводниковых многослойных материалов в составе перспективного свободнолетающего технологического корабля-модуля в составе МКС.

Основными задачами, решаемыми на первом этапе КЭ, являются:

- экспериментальное определение условий функционирования вакуумно-механической аппаратуры МЛЭ за МЗЭ (уровни разрежения газовой среды в рабочей зоне аппаратуры);

- экспериментальная отработка ВМА МЛЭ в составе МЗЭ в натурных условиях;

- экспериментальная отработка типовых технологических операций и процесса МЛЭ в натурных условиях. При этом при проведении натурных испытаний реализуется:

- отработка механических и электрических интерфейсов МЗЭ;

- отработка циклограммы термического обезгаживания поверхности МЗЭ с помощью электронагревателей;

- проверка возможности достижения вакуума в технологической зоне за МЗЭ, превосходящего на 2-3 порядка обычные забортные условия;

- проверка работоспособности элементов, узлов и аппаратуры ВМА МЛЭ в целом в условиях эксплуатации PC МКС.

Дополнительной задачей КЭ является апробирование процессов молекулярно-лучевой эпитаксии в орбитальных условиях с целью получения образцов полупроводниковых пленок. При этом отрабатываются следующие технологические процессы:

- очистка полупроводниковой подложки Si прогревом в вакуумной зоне с последующим послеполетным анализом морфологии и химического состава поверхностной области подложки в наземной лаборатории;

- очистка полупроводниковой подложки Si и выращивание на ней пленок Si до испарения элементов III группы с высоким давлением паров с послеполетным анализом типа и уровня легирования кремниевой пленки в процессе МЛЭ;

- очистка полупроводниковой подложки Si и выращивание на ней пленки Ge до испарения элементов III группы с высоким давлением паров с послеполетным анализом уровня легирования пленки Ge, полученной в процессе;

- очистка полупроводниковой подложки GaAs прогревом в молекулярном потоке As и выращивание на ней нелегированных пленок GaAs (в случае решения проблемы токсичности материалов); -очистка полупроводниковой подложки GaAs и выращивание на ней полупроводниковых структур GaAs/Ge/GaAs с послеполетным анализом уровня легирования в слоях, составляющих структуру (в случае решения проблемы токсичности материалов);

- очистка полупроводниковой подложки Si и выращивание на ней пленок Si после испарения элементов III группы с высоким давлением паров с послеполетным анализом типа и уровня легирования кремниевой пленки в процессе МЛЭ (проверка эффекта памяти установки).

Новизна эксперимента:

В 80-е годы в рамках программы «Spacelab»НАСА планировалась разработка установок многоразового использования для получения новых материалов в космосе и среди них был “молекулярный экран”.

Идея проведения экспериментов по молекулярно-лучевой эпитаксии в космосе была продоложена А.Игнатьевым и Ц.В. Чу (A.Ignatiev, C.W.Chu) в 1985 году. В 1988 году при Университете в Хьюстоне был открыт Центр по эпитаксии в космосе и в 1989 году началась реализация программы этих исследований («Wake Shield Facility»). В рамках этой программы после четырехлетнего периода наземных исследований в 1994-1996 годах были осуществлены три полёта кораблей «Шаттл» с целью, в том числе, проведения КЭ по синтезу эпитаксиальных структур на основе арсенида галлия за защитным экраном в космосе.

КЭ «Экран-М» отчасти повторяет работы, проведённые в рамках программы WSF, но в то же время позволяет перейти на новый уровень исследований МЛЭ в космосе. Проведение КЭ «Экран-М» позволит на долговременной, постоянной основе изучать техпроцесс МЛЭ. Размещение НА «Экран-М» и наличие экипажа МКС позволит в оперативном порядке вносить изменения в техпроцесс, проводить более гибкие исследования, менять состав аппаратуры и ремонтировать её в случае необходимости.

Научная аппаратура:

НА «Экран-М» должна включать в себя вакуумно-механическую аппаратуру (ВМА МЛЭ), малый защитный экран (МЗЭ), электронные блоки, аппаратура вакуумного контроля.

Ожидаемые результаты:

Внедрение технологии МЛЭ на орбите позволит получить:

- минимальный межоперационный интервал между технологическими переделами, за счёт сверхвысокой скорости откачки (недостижимой в земных условиях) примесных компонентов из рабочего объёма, позволяют быстро менять химический состава молекулярных пучков;

- возможность сочетания в одной установке нескольких технологий получения пленок из молекулярных пучков и потоков с резко различающимися диапазонами рабочих давлений и химических компонент в зоне эпитаксиального роста;

- почти полное устранение влияние молекулярного фона от стенок гипотетической камеры на зону эпитаксиального роста, т.к. стенки отсутствуют;

- получение однородной толщины каждого эпитаксиального слоя по всей поверхности, за счёт возможности увеличения расстояния от подложки (зоны эпитаксиального роста) до источника молекулярного пучка.

В результате могут быть получены новые материалы (гетероэпитаксиальные структуры) с физическими свойствами, недостижимыми при синтезе этих материалов в земных условиях. Использование этих материалов в технике позволит создавать приборы и оборудование с техническими характеристиками нового поколения, перейти на уровень следующего технологического уклада. В частности, прогнозируется получать ФЭП с электрическим коэффициентом преобразования выше 50%.

Полученные результаты:

КЭ находится на стадии наземной отработки.

Сроки проведения: 2021-2022 гг.
Состояние эксперимента: Готовится
Организация постановщик: Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН).
Организации участники: Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича, Сибирского отделения РАН; ООО «НПФ Электрон» г.Красноярск.
Научный руководитель: Пчеляков О.П., Институт физики полупроводников СО РАН, зав. отделом, д.ф.-м.н., профессор
Публикации по эксперименту:

1. Наука в Сибири № 20-21 (2605-2606) 24 мая 2007г. О.П.Пчеляков «ВАКУУМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОТКРЫТОМ КОСМОСЕ»

2. «Аэрокосмические технологии и спутниковая навигация» №6(50) НОЯБРЬ-ДЕКАБРЬ О.П.Пчеляков «НАНОТЕХНОЛОГИИ, ЭНЕРГЕТИКА И КОСМОС»

Последнее обновление: 22.07.2019
Задачи эксперимента:

- использование эффекта молекулярного экрана для преодоления наземных вакуумных технологий.

- проведение исследований процессов синтеза особочистых тонкопленочных материалов в сверхглубоком вакууме
Страна: Россия