Лаборатория ионно-кластерных технологий

Новый способ определения размеров газовых кластеровcheeky

Основное направление исследований– фундаментальные исследования и развитие технологических приложений ускоренных газофазных ионно-кластерных пучков. По сравнению с традиционными ионными пучками, ускоренные кластерные пучки обладают рядом уникальных преимуществ, что позволяет применять их в разнообразных технических областях:

- получение сверхгладких (с шероховатостью до 0,001 мкм) поверхностей любых веществ и покрытий (в том числе сверхтвердых) с сохранением структуры обрабатываемых материалов; актуально в силовой электронике, при производстве оптических элементов и т.д.;

- формирование тонких пленок и покрытий методом кластер-ион-ассистированного осаждения, что позволяет получать высококачественные структуры с хорошей адгезией, высокой однородностью и прочностью без нагрева подложки;

- приповерхностная имплантация на сверхмалые глубины (до 100 нм) с высокими концентрациями и малым повреждением обрабатываемого материала; актуально в микро- и наноэлектронике для получения наноразмерных полупроводниковых структур;

- эффективное нанострукутрирование поверхности при малом повреждении обрабатываемого материала и малой глубине травления материала.

 В ОПФ работы с ускоренными ионно-кластерными пучками проводятся на экспериментальном стенде ЛЭМПУС-1и лабораторном стенде КЛИУС.

 

К настоящему времени:

Разработан и отлажен абсолютно новый экспериментальный способ определения размеров газовых кластеров, основанный на измерении поперечного профиля полной интенсивности газодинамического пучка. Благодаря большой интенсивности сверхзвукового пучка, предложенный способ не требует использования сложного высокочувствительного оборудования. Данный способ применим для определения среднего размера кластеров в сверхзвуковых потоках любых чистых газов и, при некоторых условиях, в газовых смесях. При этом не требуется построения специальных моделей либо определения эмпирических констант. Эффективность метода подтверждена измерениями размеров кластеров в потоках разных газов (Ar, CO2, N2) и газовой смеси 10%С2Н4+90%Не при истечении из сверхзвуковых конических сопел. Метод позволяет определять размеры кластеров в диапазоне 50 – 2000. Корректность полученных результатов подтверждена сравнением с результатами других авторов, полученными другими экспериментальными методами, а также оценками по эмпирическим зависимостям с использованием безразмерного параметра подобия конденсации. Подана заявка на патент.

Выполнены  экспериментальные исследования влияния ускоренного ионно-кластерного пучка аргона на морфологию поверхности различных материалов: металлов (медь, нержавеющая сталь), полупроводников (кремний, германий, нитрид алюминия, нитрид галлия) и оптических материалов (оптическое стекло, плавленый кварц, LBO, KTP, KGW). Характеристики поверхности материалов до и после облучения анализировались с помощью атомно-силовой микроскопии. Изучено воздействие ионно-кластерного пучка на основные параметры шероховатости поверхности материалов: амплитудная (среднеквадратичная шероховатость Rq) и латеральная (спектральная плотность мощности PSD). Показано, что в зависимости от начального качества поверхности и дозы облучения обработка ионно-кластерным пучком позволяет значительно уменьшить среднеквадратичную шероховатость Rq. В частности, при близкой дозе облучения (~1017 класт.ионов/см2) среднеквадратичная шероховатость поверхности изначально плохо полированной меди уменьшилась почти на два порядка, с 193 нм до 2,3 нм, зеркальной нержавеющей стали – с 10 нм до 3 нм, полированного оптического стекла – с 2,5 нм до 0,6 нм. Установлено, что величина достигаемой минимальной шероховатости ограничивается физико-химической анизотропией обрабатываемого материала. Шероховатость полированного оптического стекла при облучении однократной дозой ионно-кластерного пучка была понижена до 0,6 нм благодаря низкой начальной шероховатости и хорошей изотропией свойств материала.

Показано, что обработка поверхности материалов ускоренным ионно-кластерным пучком позволяет получать сверхгладкие поверхности различных материалов с субнанометровой (менее 1 нм) шероховатостью. При этом, шероховатость поверхности значительно понижается на различных пространственных  частотах: низкие частоты с латеральными размерами свыше 1 мм, средние частоты с размерами 1 мкм – 1 мм и высокие частоты с размерами 1 нм – 1 мкм.

Впервые с помощью экспериментальных методов были изучены изменения структуры и химического состава на различной глубине в монокристалле KGW, вызванные бомбардировкой кластерными ионами аргона. Обработка проводилась в низкоэнергетическом режиме с масштабированной энергией E/N= 10 эВ на атом кластера с использованием пучка кластерных ионов без селекции по размеру, что обеспечило высокую эффективность обработки. Наши экспериментальные результаты показывают, что в исходном образце KGWтолщина поврежденного слоя, образовавшегося в результате прецизионной химико-механической полировки, достигает 50 нм. Наряду с аморфизацией, в подповерхностном слое исходного образца KGWнаблюдается неравномерное распределение элементов KGWпо глубине. На образце KGWпосле бомбардировки кластерными ионами поврежденный слой, по-видимому, образовался преимущественно во время подготовки ламелл. Несмотря на это, толщина аморфизированного слоя уменьшилась с 50 до 23 нм после бомбардировки кластерными ионами.

Проведен обобщенный сравнительный анализ наноструктурирования поверхности однокомпонентных (Ge и Si) и двухкомпонентных (GaN) полупроводников кластерными ионами с использованием экспериментальных результатов и данных МД-моделирования как при одинаковых, так и при различных условиях обработки. Получены обобщенные данные по шероховатости и периоду наноструктур для Si, Ge и GaN. Показано, что, в отличие от Ge и Si, при больших дозах облучения (10^16 кластерных ионов/см^2) в зависимости от наклонного угла падения кластеров на поверхности GaN формируются слабо упорядоченные как продольные, так и поперечные наноструктуры, что может объясняться различиями физических характеристик материалов (большей плотностью, энергией связи атомов и модулем упругости).

На основе данных МД-моделирования проведен анализ энергообмена, протекающего при столкновениях газовых кластеров с поверхностью Si и Ge при разных углах падения кластеров. Определены доля полной энергии, переданной мишени; доля полной кинетической энергии рассеянных атомов кластера и доля полной кинетической энергии распыленных атомов мишени —  от исходной кинетической энергии кластера. Показано, что доля энергии, переданной мишени Si от кластера, снижается с 94% до 22% при варьировании угла падения от 0 до 75 град., а доля энергии, переданной мишени Ge, снижается с 87% до 13% при варьировании угла падения от 0 до 75 град. Практически вся оставшаяся часть энергии кластера «уносится» рассеянными атомами кластер и всего лишь 0,7% для Si и 1,6% для Ge составляет доля максимальной кинетической энергии всех распыленных атомов мишени.

Впервые с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения исследована тонкая структура нановолн на поверхности германия при разных дозах облучения.

Таким образом, полученные результаты дают более глубокое понимание механизмов сглаживания, распыления, формирования и морфологии самоорганизующихся наноструктур на поверхности различных материалов с использованием пучков газовых кластерных ионов.

3D АСМ-изображения поверхности плавленого кварца на масштабе 2×2 мкм2: а) исходная поверхность; б) после дозы облучения Ф_ион ≈ 1,5×10^16 см^-2; в) после Ф_ион ≈ 4,5×10^16 см^-2; г) после Ф_ион ≈ 8,0×10^16 см^-2

 Спектральные функции плотности мощности шероховатости поверхности исходного образца плавленого кварца и после постепенного увеличения дозы облучения кластерными ионами

АСМ-изображения поверхности и профили поверхности монокристалла KTPдо (сверху) и после (снизу) бомбардировки кластерами со средним размером N_mean = 800 атомов/кластер и энергией E= 10 кэВ: 100×100, 40×40 и 2×2 мкм^2

3D АСМ-изображения поверхности KTP после бомбардировки кластерными ионами аргона с удельной энергией E/N_mean = 110 (сверху) и 12,5 эВ/атом Ar (снизу) при различных углах падения кластеров: а) 0°, б) 45°, в) 60°, г) 70°

 Спектральные функции плотности мощности шероховатости KTP при различных углах падения и удельных энергиях кластеров

3D АСМ-изображения исходной поверхности AlN и после кластерной бомбардировки в различных режимах на масштабе 2×2 мкм

Изображения ПЭМВР ламели из монокристалла KGW:Ndна различных масштабах: верхний ряд – исходная поверхность, нижний – после кластерной бомбардировки

 

АСМ-изображения топографии поверхности германия после бомбардировки кластерными ионами при различных плотностях потока ионов, кластерные ионы/см^2. Черная стрелка указывает направление пучка кластерных ионов

 

 

 

Зав. лаборатории Коробейщиков Н.Г.