等离子体（Plasma）是物质的第四态，由高度电离的气体组成，包含自由电子和带电离子，具有高导电性和集体行为。宇宙中约 99% 的物质处于等离子体态（如恒星、闪电、太阳风），主要应用包括工业刻蚀、表面处理、可控核聚变等。

在半导体晶体生长的前沿工艺中，等离子体被视为打破热力学极限的核心手段。通过激发高能电子碰撞气体分子，等离子体能够在极低的热力学温度下产生高度活跃的化学自由基与离子态物质。

近日，总部位于英国的航空航天制造公司 Space Forge 宣布已成功在其近地轨道卫星 ForgeStar-1 上，利用一台温度高达 1,000℃ 的半导体炉，生成了等离子体，证明可以在专用的商业卫星上实现先进半导体晶体生长所需的必要环境。

“我们目前的研究工作使我们能够在太空制造出，比现在在地球上纯度高出 4,000 倍的半导体，”Space Forge首席执行官约书亚·韦斯顿（Joshua Western）表示。

这是全球商业卫星首次在轨实现这一关键的半导体制造工艺。

与此同时，Space Forge 宣布英国首个专注于在轨制造的专用研究设施——国家微重力研究中心 (NMRC) 于近日竣工。该公司在近地轨道微重力环境下生长的半导体种子晶片被送回地球，并在该中心进行放大。

2018 年，曾在欧洲航天巨头 Thales Alenia Space 共事的约书亚·韦斯顿（Joshua Western）和安德鲁·培根（Andrew Bacon）决定离职创业。

图 | 首席执行官 Joshua Western 与首席技术官 Andrew Bacon（来源：Space Forge）

2020 年初，他们在卡迪夫的一个车库里开启了 Space Forge 的雏形。两人最初的想法是建造大型自动化卫星，接收客户的原材料，在太空加工后送回。

这种看似疯狂的愿景很快吸引了硬科技资本的注意。2021 年，Space Forge 完成种子轮融资 1,020 万美元，创下当时欧洲航天种子轮纪录。但这种模式被证明过于昂贵，单次发射成本足以覆盖掉晶圆的溢价。

随后，Space Forge 转向小型卫星 ForgeStar，主打快速周转。Space Forge 提供整个制造环境，客户租用卫星内的“实验位”。但 2023 年维珍轨道发射失败，让公司意识到完全依赖高频率发射回收的模式风险极高。

也因此，Space Forge 不再追求在太空大规模生产，而是在太空生产极少量、近乎完美的“种子晶圆”，再带回地球进行扩产。2025 年 5 月，Space Forge 完成了 3,000 万美元的 A 轮融资，领投方是北约创新基金。

图 | 太空在轨生产应用的价值创造（来源：NASA）

科学研究表明，微重力环境对半导体晶体生长具有显著优势，主要源于重力驱动的对流、沉降和浮力等现象在太空中的完全消除或大幅减弱。这些因素在地球上会导致晶体生长过程中溶质分布不均、热梯度不稳定以及缺陷增加。而在微重力条件下，晶体生长主要由扩散和表面张力主导，原子或分子能更缓慢、有序地融入晶格，从而形成更大尺寸、更均匀结构、缺陷密度更低以及性能更优的晶体。

“当半导体材料在微重力条件下制造时，构成它们的原子排列得更加规则。”韦斯特恩解释说，“太空的真空环境降低了污染的可能性，从而可以生产出“纯度比地面上生产的半导体晶体高数百倍甚至数千倍”的半导体晶体。”

多项元分析和长期轨道实验数据有力支持这一结论。例如，Nature npj Microgravity 上的文章对 1973 年至 2016 年间 160 个太空生长的半导体晶体进行的元分析显示，86% 的晶体在至少一个关键指标（如尺寸、结构质量、均匀性或整体性能）上优于地面生长；NASA InSPA 项目对 120 个半导体晶体的回顾也证实，超过 80% 在结构、均匀性或尺寸上得到改善；巴特勒大学的相关研究进一步量化指出，微重力晶体生长平均可实现约 20% 的质量提升。

2025 年 6 月，该公司使用 SpaceX 火箭将 ForgeStar-1 卫星送入轨道，包括一个用于在微重力环境下进行冶炼和晶体制造的 1,000°C 炉子。ForgeStar-1 是一个尺寸仅为微波炉大小的小型自动化工厂。主要用于验证在无人干预的商业卫星上，是否能稳定控制半导体生长所需的极端物理环境。

图 | ForgeStar-1 卫星的制造模型（来源：Space Forge）

然而，太空制造面临的最大挑战并非“如何造”，而是“如何回”。传统的烧蚀隔热罩在返回时会产生剧烈震动和高温，这足以摧毁晶体脆弱的排列结构。

为了解决这个问题，Space Forge 研发了 Pridwen 隔热罩和软着陆回收系统，确保高价值的晶体基板能毫发无损地回到地球。

Pridwen 取自亚瑟王传说中的传奇盾牌“Pridwen”，象征着防护与坚韧。其采用了受折纸艺术启发的折叠式结构。该装置由高性能耐高温合金织物制成，在卫星返回大气层前像雨伞一样张开，利用极大的表面积产生大气阻力进行减速。

这种设计不仅通过辐射散热有效保护了内部敏感的半导体晶体免受极端高温破坏，更显著降低了返回过程中的过载与震动。Pridwen 的轻量化和可重复使用特性，解决了高价值材料从太空安全、廉价地送回地球的难题。

据悉，通过 ForgeStar-1 卫星产生的数据将直接用于 ForgeStar-2 的开发，后者计划携带 Pridwen 完整热盾，实现首次太空材料返回。

而随着近期国家微重力研究中心在斯旺西大学落成，Space Forge 完成了闭环的最后一步：在 ForgeStar 卫星上利用等离子体工艺培育极少量的零缺陷“种子晶体”，然后将种子送回该研究中心，利用这些完美晶核作为模板，在地面进行外延生长。

这种混合模式既保留了太空级的电学性能，又规避了太空大规模量产的产能瓶颈。后续生长出的材料即便受到重力影响，其整体电学性能仍能保留太空品质。

此外，Space Forge 也在探索太空微重力在医学和合金方面的应用。在轨研发有望提高现有药物的疗效，从大幅延长保质期的化合物到能够实现更佳药物递送方式的纯蛋白结晶；在微重力环境下，新型合金和超合金的制造潜力也几乎是无限的。

参考链接：

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

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