英國(guó)初創(chuàng)把芯片工廠搬到太空，半導(dǎo)體純度或比地表提升4000倍

等離子體（Plasma）是物質(zhì)的第四態(tài)，由高度電離的氣體組成，包含自由電子和帶電離子，具有高導(dǎo)電性和集體行為。宇宙中約 99% 的物質(zhì)處于等離子體態(tài)（如恒星、閃電、太陽風(fēng)），主要應(yīng)用包括工業(yè)刻蝕、表面處理、可控核聚變等。

在半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)的前沿工藝中，等離子體被視為打破熱力學(xué)極限的核心手段。通過激發(fā)高能電子碰撞氣體分子，等離子體能夠在極低的熱力學(xué)溫度下產(chǎn)生高度活躍的化學(xué)自由基與離子態(tài)物質(zhì)。

近日，總部位于英國(guó)的航空航天制造公司 Space Forge 宣布已成功在其近地軌道衛(wèi)星 ForgeStar-1 上，利用一臺(tái)溫度高達(dá) 1,000℃ 的半導(dǎo)體爐，生成了等離子體，證明可以在專用的商業(yè)衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)先進(jìn)半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)所需的必要環(huán)境。

“我們目前的研究工作使我們能夠在太空制造出，比現(xiàn)在在地球上純度高出 4,000 倍的半導(dǎo)體，”Space Forge首席執(zhí)行官約書亞·韋斯頓（Joshua Western）表示。

這是全球商業(yè)衛(wèi)星首次在軌實(shí)現(xiàn)這一關(guān)鍵的半導(dǎo)體制造工藝。

與此同時(shí)，Space Forge 宣布英國(guó)首個(gè)專注于在軌制造的專用研究設(shè)施——國(guó)家微重力研究中心 (NMRC) 于近日竣工。該公司在近地軌道微重力環(huán)境下生長(zhǎng)的半導(dǎo)體種子晶片被送回地球，并在該中心進(jìn)行放大。

2018 年，曾在歐洲航天巨頭 Thales Alenia Space 共事的約書亞·韋斯頓（Joshua Western）和安德魯·培根（Andrew Bacon）決定離職創(chuàng)業(yè)。

（來源：Space Forge）

2020 年初，他們?cè)诳ǖ戏虻囊粋€(gè)車庫里開啟了 Space Forge 的雛形。兩人最初的想法是建造大型自動(dòng)化衛(wèi)星，接收客戶的原材料，在太空加工后送回。

這種看似瘋狂的愿景很快吸引了硬科技資本的注意。2021 年，Space Forge 完成種子輪融資 1,020 萬美元，創(chuàng)下當(dāng)時(shí)歐洲航天種子輪紀(jì)錄。但這種模式被證明過于昂貴，單次發(fā)射成本足以覆蓋掉晶圓的溢價(jià)。

隨后，Space Forge 轉(zhuǎn)向小型衛(wèi)星 ForgeStar，主打快速周轉(zhuǎn)。Space Forge 提供整個(gè)制造環(huán)境，客戶租用衛(wèi)星內(nèi)的“實(shí)驗(yàn)位”。但 2023 年維珍軌道發(fā)射失敗，讓公司意識(shí)到完全依賴高頻率發(fā)射回收的模式風(fēng)險(xiǎn)極高。

也因此，Space Forge 不再追求在太空大規(guī)模生產(chǎn)，而是在太空生產(chǎn)極少量、近乎完美的“種子晶圓”，再帶回地球進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn)。2025 年 5 月，Space Forge 完成了 3,000 萬美元的 A 輪融資，領(lǐng)投方是北約創(chuàng)新基金。

圖 | 太空在軌生產(chǎn)應(yīng)用的價(jià)值創(chuàng)造（來源：NASA）

科學(xué)研究表明，微重力環(huán)境對(duì)半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)具有顯著優(yōu)勢(shì)，主要源于重力驅(qū)動(dòng)的對(duì)流、沉降和浮力等現(xiàn)象在太空中的完全消除或大幅減弱。這些因素在地球上會(huì)導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)過程中溶質(zhì)分布不均、熱梯度不穩(wěn)定以及缺陷增加。而在微重力條件下，晶體生長(zhǎng)主要由擴(kuò)散和表面張力主導(dǎo)，原子或分子能更緩慢、有序地融入晶格，從而形成更大尺寸、更均勻結(jié)構(gòu)、缺陷密度更低以及性能更優(yōu)的晶體。

“當(dāng)半導(dǎo)體材料在微重力條件下制造時(shí)，構(gòu)成它們的原子排列得更加規(guī)則?！表f斯特恩解釋說，“太空的真空環(huán)境降低了污染的可能性，從而可以生產(chǎn)出“純度比地面上生產(chǎn)的半導(dǎo)體晶體高數(shù)百倍甚至數(shù)千倍”的半導(dǎo)體晶體?！?/p>

多項(xiàng)元分析和長(zhǎng)期軌道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有力支持這一結(jié)論。例如，Nature npj Microgravity 上的文章對(duì) 1973 年至 2016 年間 160 個(gè)太空生長(zhǎng)的半導(dǎo)體晶體進(jìn)行的元分析顯示，86% 的晶體在至少一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)（如尺寸、結(jié)構(gòu)質(zhì)量、均勻性或整體性能）上優(yōu)于地面生長(zhǎng)；NASA InSPA 項(xiàng)目對(duì) 120 個(gè)半導(dǎo)體晶體的回顧也證實(shí)，超過 80% 在結(jié)構(gòu)、均勻性或尺寸上得到改善；巴特勒大學(xué)的相關(guān)研究進(jìn)一步量化指出，微重力晶體生長(zhǎng)平均可實(shí)現(xiàn)約 20% 的質(zhì)量提升。

2025 年 6 月，該公司使用 SpaceX 火箭將 ForgeStar-1 衛(wèi)星送入軌道，包括一個(gè)用于在微重力環(huán)境下進(jìn)行冶煉和晶體制造的 1,000°C 爐子。ForgeStar-1 是一個(gè)尺寸僅為微波爐大小的小型自動(dòng)化工廠。主要用于驗(yàn)證在無人干預(yù)的商業(yè)衛(wèi)星上，是否能穩(wěn)定控制半導(dǎo)體生長(zhǎng)所需的極端物理環(huán)境。

圖 | ForgeStar-1 衛(wèi)星的制造模型（來源：Space Forge）

然而，太空制造面臨的最大挑戰(zhàn)并非“如何造”，而是“如何回”。傳統(tǒng)的燒蝕隔熱罩在返回時(shí)會(huì)產(chǎn)生劇烈震動(dòng)和高溫，這足以摧毀晶體脆弱的排列結(jié)構(gòu)。

為了解決這個(gè)問題，Space Forge 研發(fā)了 Pridwen 隔熱罩和軟著陸回收系統(tǒng)，確保高價(jià)值的晶體基板能毫發(fā)無損地回到地球。

Pridwen 取自亞瑟王傳說中的傳奇盾牌“Pridwen”，象征著防護(hù)與堅(jiān)韌。其采用了受折紙藝術(shù)啟發(fā)的折疊式結(jié)構(gòu)。該裝置由高性能耐高溫合金織物制成，在衛(wèi)星返回大氣層前像雨傘一樣張開，利用極大的表面積產(chǎn)生大氣阻力進(jìn)行減速。

這種設(shè)計(jì)不僅通過輻射散熱有效保護(hù)了內(nèi)部敏感的半導(dǎo)體晶體免受極端高溫破壞，更顯著降低了返回過程中的過載與震動(dòng)。Pridwen 的輕量化和可重復(fù)使用特性，解決了高價(jià)值材料從太空安全、廉價(jià)地送回地球的難題。

據(jù)悉，通過 ForgeStar-1 衛(wèi)星產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將直接用于 ForgeStar-2 的開發(fā)，后者計(jì)劃攜帶 Pridwen 完整熱盾，實(shí)現(xiàn)首次太空材料返回。

而隨著近期國(guó)家微重力研究中心在斯旺西大學(xué)落成，Space Forge 完成了閉環(huán)的最后一步：在 ForgeStar 衛(wèi)星上利用等離子體工藝培育極少量的零缺陷“種子晶體”，然后將種子送回該研究中心，利用這些完美晶核作為模板，在地面進(jìn)行外延生長(zhǎng)。

這種混合模式既保留了太空級(jí)的電學(xué)性能，又規(guī)避了太空大規(guī)模量產(chǎn)的產(chǎn)能瓶頸。后續(xù)生長(zhǎng)出的材料即便受到重力影響，其整體電學(xué)性能仍能保留太空品質(zhì)。

此外，Space Forge 也在探索太空微重力在醫(yī)學(xué)和合金方面的應(yīng)用。在軌研發(fā)有望提高現(xiàn)有藥物的療效，從大幅延長(zhǎng)保質(zhì)期的化合物到能夠?qū)崿F(xiàn)更佳藥物遞送方式的純蛋白結(jié)晶；在微重力環(huán)境下，新型合金和超合金的制造潛力也幾乎是無限的。

1.https://zh.wikipedia.org/zh-hans/%E7%AD%89%E7%A6%BB%E5%AD%90%E4%BD%93

2.https://www.skyatnightmagazine.com/news/space-forge-forgestar-1-plasma

3.https://www.nature.com/articles/s41526-024-00410-7

4.https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20250002791/downloads/IEEE%20Texas%20Semiconductor%20Summit_Hill%20040425%20r9.pdf

5.https://digitalcommons.butler.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1798&context=ugtheses

6.https://www.tomshardware.com/tech-industry/semiconductors/uk-company-shoots-a-1000-degree-furnace-into-space-to-study-off-world-chip-manufacturing-semiconductors-made-in-space-could-be-up-to-4-000-times-purer-than-earthly-equivalents

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍