ЦКП «НАНОСТРУКТУРЫ» В ДИАГНОСТИЧЕСКОМ СОПРОВОЖДЕНИИ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СИБИРСКОГО РЕГИОНА
Д В. Щеглов,
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт физики полупроводников им.
Сибирского отделения Российской академии наук,
630090, г. Новосибирск, проспект ак. Лаврентьева, д.13
Новосибирский государственный университет
630090, г. Новосибирск, ул. Пирогова, д.2
*****@***nsc. ru
Центр коллективного пользования «Технологии наноструктурирования полупроводниковых, металлических, углеродных, биоорганических материалов и аналитические методы их исследования на наноуровне» (кратко ЦКП «Наноструктуры»), был сформирован в Новосибирске на базе Института физики полупроводников СО РАН в 2001 году в первую очередь с целью поддержки и развития технического парка и организации эффективной эксплуатации уникальных дорогостоящих научных приборов и установок, находящихся в Сибирском отделении Российской академии наук. Современные нанотехнологии, востребованные в СО РАН, (нанолитография, наномеханика, нанобиология, нанохимия) требуют прецизионной калибровки используемого оборудования, как при диагностики, так и при создании или стандартизации нанообъектов, с субатомной точностью, в связи с уменьшением размеров таких структур до долей нанометра, - размеров, сравнимых с размерами единичного атома. Такое уменьшение размеров влечет за собой многократное усложнение процесса измерения, калибровки и стандартизации с максимальной точностью.
Сотрудники, работающие в ЦКП «Наноструктуры», являются высококвалифицированными специалистами с многолетним опытом выполнения метрологических и научно-исследовательских работ, включая квалифицированное обслуживание сложного диагностического оборудования.
Формирование комплексных методов практической диагностики в ЦКП диктуется как технологическими задачами получения наноструктур и создания на их базе следующего поколения электронных и оптических устройств (транзисторов, лазеров и др.), так и их специфическими физическими, физико-химическими и топологическими свойствами, часто не укладывающимися в рамки стандартных представлений о свойствах вещества.
ЦКП «Наноструктуры» непосредственно оказывает услуги в области таких приоритетных направлений развития науки, технологий и техники таких как «Индустрия наносистем и материалы», «Живые системы», «Энергетика и энергосбережение», «Перспективные вооружения, военная и специальная техника», «Рациональное природопользование», «Информационно-телекоммуникационные системы». Кроме того, ЦКП обеспечивает диагностическими исследованиями работы по разработке приборов ночного видения, что позволяет выделить еще одно направление – «Безопасность и противодействие терроризму».
Важным направлением деятельности ЦКП в Сибирском регионе является исследование методами высокоразрешающей просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии атомной структуры, морфологии и химического состава широкого класса материалов, включая полупроводниковое материаловедение, катализ, минералогию и биологию. Успешно ведутся работы по оперативному бесконтактному контролю поверхностей кристаллов, диэлектриков, полимеров, биологических материалов, катализаторов, методами атомно-силовой микроскопии.
Применение высокоразрешающего электронного микроскопа позволяет характеризовать структурные дефекты, как в подложке, так и в многослойных эпитаксиальных пленках, определять такие важные параметры низкоразмерных систем, как размеры квантовых объектов и их пространственное расположение, степень упорядочения, резкость границ раздела объект-матрица, наличие структурных дефектов и их местонахождение относительно границ раздела. Полученные результаты использованы для разработки и совершенствования технологии молекулярно–лучевой эпитаксии и обеспечили создание нового поколения полупроводниковых приборов, таких как нанотранзисторы и одноэлектронные транзисторы, фотоприемные устройства на квантовых эффектах и элементы силовой электроники.
В ЦКП используются только сертифицированное оборудование и аттестованные методики прецизионных измерений, а в обобщенной форме Центр обеспечивает проведение следующих работ:
исследования методами просвечивающей и растровой электронной микроскопии атомной структуры, морфологии и химического состава широкого класса материалов из различных областей фундаментальной и прикладной науки, включая полупроводниковое материаловедение, катализ, минералогию и биологию;
оперативный бесконтактный контроль поверхностей кристаллов, диэлектриков, полимеров, биологических материалов, катализаторов, методами атомно-силовой микроскопии;
исследование физико-химических свойств поверхности методами электронной спектроскопии (рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС), ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (УФЭС), электронная Оже-спектроскопия, дифракция медленных и быстрых электронов, спектроскопия характеристических потерь энергии электронов высокого разрешения) и термодесорбционной спекроскопии;
создание структур пониженной размерности (с геометрическими размерами менее 100 нм) для нано - и оптоэлектроники, спинтроники, наномеханики и биотехнологий методами электронно-зондовой литографии.
ЦКП «Наноструктуры» входит в состав инфраструктуры центра метрологического обеспечения и оценки соответствия нанотехнологий и продукции наноиндустрии в Сибирском Федеральном округе, обеспечивая измерительные потребности предприятий в регионе. Диагностический центр ИФП СО РАН является членом технического комитета по стандартизации (ТК 441 «Нанотехнологии») при Федеральном агентстве технического регулирования и метрологии, имеет аттестат признания компетентности ГК «РОСНАНО» в системе добровольной сертификации «Наносертифика», созданой в целях обеспечения необходимого качества и безопасности создаваемых наноматериалов, нанотехнологий и продукции с использованием наноматериалов. ЦКП «Наноструктуры» активно участвует в работе с молодежью по подготовке научных и инженерных кадров в области атомных процессов и технологии создания низкоразмерных полупроводниковых систем в рамках проектов интеграции с Новосибирским госуниверситетом и Сибирским Отделением РАН.
Одним из прорывных результатов последнего времени является разработка, совместно с СНИИМ, комплекта высокоточных мер вертикальных размеров в диапазоне размеров 0,31–31 нм с погрешностью во всем интервале измерений менее 0,05 нм. Разработанный комплект высокоточных мер вертикальных размеров «СТЕПП-ИФП-1» после проведения государственных испытаний внесен в государственный реестр средств измерений, что позволяет обеспечить единство измерений в недоступном ранее нанодиапазоне линейных размеров. Необходимость создания таких мер обусловлена тем, что методы сканирующей электронной и зондовой микроскопии являются базовыми для разработки новых нанотехнологий и проведения исследований и измерений объектов с размерами, приближающимися к размерам атома, и требуют особо тщательной калибровки оборудования по стандартным образцам с предельно малыми размерными характеристиками, гарантирующими малую погрешность измерений. ЦКП изготовливает малые серии тест-объектов на основе ступенчатых поверхностей кремния для калибровки нанометровых размеров для фирмы NT-MDT (, г. Зеленоград).
Совместно с КТИ НП СО РАН в ЦКП «Наноструктуры» реализовано улучшение технических характеристик интерферометрического программно-аппаратного комплекса ориентированного на исследование рельефа поверхностей твердых тел с нанометровым разрешением за счет использования в опорном плече интерферометра белого света зеркала с атомно-гладкой поверхностью, что позволило достичь пикометрового разрешения при исследовании высоты нанорельефа.
Использование современного аналитического оборудования для структурного анализа и разработанные в ЦКП новые методики моделирования и цифровой обработки экспериментальных результатов позволят получить качественно новую информацию на атомарном уровне об особенностях строения создаваемых наноструктур. Полученная информация будет являться основой для создания адекватных моделей атомного строения систем пониженной размерности, максимально отражающих их реальную структуру. Анализ таких моделей позволит выявить главные физические факторы, влияющие на морфологию отдельных составляющих наноструктур, на размытость и шероховатость гетерограниц и установить корреляционные зависимости между структурой и квантовыми свойствами нанообъектов.
Для решения ряда задач была создана методика in situ сверхвысоковакуумной отражательной электронной микроскопии (СВВ ОЭМ) для изучения структурных процессов на поверхности кристалла при технологических процессах, используемых при создании приборов кремниевой электроники. ОЭМ имеет высокую чувствительность к элементам структуры поверхности и обеспечивает пространственное разрешение, достаточное для визуализации индивидуальных моноатомных ступеней при высокой температуре (например, 1300оС). Оборудование для СВВ ОЭМ не выпускается и, согласно литературным обзорам, метод СВВ ОЭМ в наиболее полном объеме реализован в настоящее время только в ЦКП «Наноструктуры» при Институте физики полупроводников им. СО РАН.
Эффективным и информативным методом структурного анализа поверхности является сканирующая электронная микроскопия (СЭМ). Применение источника полевой эмиссий для формирования диагностического пучка, позволяет сканирующей электронной микроскопии визуализировать неоднородности рельефа в пределах одного монослоя, проводить анализ химического состава поверхности с помощью встроенного блока энерго-дисперсионного анализа, определять электрическую активность дефектов по методике наведенного тока и т. д.
Новые возможности для трехмерных измерений линейных размеров элементов структур микро и нанорельефа поверхности конденсированных сред обеспечиваются применением сканирующих зондовых микроскопов. Метод атомно-силовой микроскопии основан на взаимодействии твердотельной заостренной иглы с поверхностью исследуемого объекта. Достоинством методов сканирующей зондовой микроскопии является возможность получения трехмерного изображения рельефа поверхности, формирование которого оптической или электронной микроскопией затруднено и сопряжено со значительными математическими расчетами. Преимуществом АСМ диагностики также является способность получения карт распределения по поверхности ряда параметров, таких как электростатический потенциал, уровень легирования, кулоновский заряд, электрическая емкость, намагниченность, твердость, оптические характеристики и др. Получаемая с помощью АСМ информация существенным образом зависит от геометрических размеров иглы-зонда, располагаемого на микроразмерной балке (~200 мкм длиной) с малым коэффициентом жесткости (~1 Н/м). Для учета эффектов деконволюции и получения адекватной информации о поверхности в ЦКП была разработана методика контроля формы и геометрии иглы методами СЭМ и ВРЭМ.
Важным направление деятельности ЦКП является развитие работ в области технологии наноструктурирования и диагностического сопровождения исследований и разработок новых твердотельных материалов и структур, в совокупности с развитием средств моделирования, которые выдвигаются в настоящее время на передний край научно-технологических исследований в данных областях. Центр оказывает услуги по созданию структур пониженной размерности (с геометрическими размерами менее до 10 нм) для нано, оптоэлектроники, спинтроники, наномеханики и биотехнологий методами современной высокоразрешающей электронной и зондовой нанолитографии. Применение низкоразмерных твердотельных систем призвано решить такие важные задачи современной полупроводниковой электроники, как повышение производительности вычислительных систем, и, в перспективе, создание квантового компьютера, увеличение пропускной способности и быстродействия каналов связи, увеличение информационной ёмкости и качества систем отображения информации с одновременным снижением энергозатрат.
Сообщается об особенностях деятельности ЦКП «Наноструктуры» по диагностическому сопровождению фундаментальных и прикладных исследований в Сибирском регионе. Приводятся примеры диагностического сопровождения ЦКП твердотельных нанотехнологий развиваемых в ряде институтов СО РАН, к числу которых относятся методы атомной сборки (молекулярно-лучевая эпитаксия, самоорганизация, формирование дву-, одно - и нуль-мерных нанообъектов), наноструктурирование (электронная литография, нанолитография на основе атомно-силовой микроскопии) и создание экспериментальных элементов наноэлектроники для изучения квантовых эффектов, эффектов электронной интерференции и одноэлектронных эффектов. Применение взаимодополняющих высокоразрешающих диагностических методов, адаптированных к изучаемым материалам, в совокупности с уникальными объектами анализа показывает возможность получения достоверной информации о технологических процессах формирования наноматериалов, их структуры и морфологии, о процессах дефектообразования, что расширяет возможности управления структурным совершенством эпитаксиальных и низкоразмерных систем для наноэлектроники. Представленные результаты работы ЦКП «Наноструктуры» частично получены при финансовой поддержке Минобрнауки России (ГК 16.518.11.7091).
