Печатная версия
Архив / Поиск

Archives
Archives
Archiv

Редакция
и контакты

К 50-летию СО РАН
Фотогалерея
Приложения
Научные СМИ
Портал СО РАН

© «Наука в Сибири», 2020

Сайт разработан и поддерживается
Институтом вычислительных
технологий СО РАН

При перепечатке материалов
или использованиии
опубликованной
в «НВС» информации
ссылка на газету обязательна

Наука в Сибири Выходит с 4 июля 1961 г.
On-line версия: www.sbras.info | Новости | Архив c 1961 по текущий год (в формате pdf), упорядоченный по годам
 
в оглавлениеN 38 (2573) 28 сентября 2006 г.

БЫЛО МИКРО, СТАЛО НАНО

Продолжая рассказ о Центре коллективного пользования «Наноструктуры» (см. начало в № 37 «НВС»), напомним, что его основные подразделения находятся в термостатированном корпусе Института физики полупроводников. При знакомстве доктор физико-математических наук А. Латышев уточнил, что он прежде всего заведующий лабораторией электронной микроскопии и субмирокронных структур и, одновременно, директор Центра.

Галина Шпак, «НВС»

Мысль не устаревает, устаревают методики…

Иллюстрация
Зав. лаб., д.ф.-м.н. Александр Латышев.

…И, разумеется, оборудование. Александр Латышев предложил мне экскурсию по нескольким рабочим помещениям Центра. В «термостате» — это уникальный технологический корпус ИФП СО РАН, здание в здании — сосредоточен комплекс электронно-пучкового диагностического, аналитического и технологического оборудования. Здесь проводится большое количество исследований, направленных на разработку технологий создания наноструктур. Тем и отличается Центр от многих ЦКП, что специалисты занимаются не только аналитической и диагностической работой по исследованию кристаллической структуры материалов с атомным разрешением, но и работами по наноструктурированию полупроводниковых, металлических и неорганических материалов c использованием остросфокусированных электронных пучков и зонда атомно-силовых микроскопов. Так что Центр — диагностический и технологический.

Иллюстрация
За работой на установке электронной литографии Raith-150 инженеры-технологи Надежда Шалыгина, Марина Качанова и м.н.с. Дмитрий Насимов.

Первой по коридору оказалась комната электронной литографии, где делают и исследуют реальные нанообъекты. Это важнейший технологический этап, например, при создании нанотранзисторов. Мне показали ту самую установку — нанолитограф производства фирмы «Raith» (Германия), о которой я была наслышана. Установка «Raith-150» куплена благодаря поддержке Министерства образования и науки РФ для ЦКП недавно — систему запустили в марте этого года.

В комнате находились инженеры-технологи Татьяна Гаврилова и Надежда Шалыгина. Они занимались подготовкой так называемого резистивного слоя — полимерного материала, который под действием электронного пучка меняет свои свойства, как бумага с фоточувствительной пленкой. В тот момент резист наносился на поверхность структуры кремний-на-изоляторе, который используется для создания нового поколения нанотранзисторов.

Иллюстрация
Инженер-технолог Татьяна Гаврилова.

Я полюбопытствовала, что там разглядывала через окуляры оптического микроскопа Татьяна Гаврилова, и она позволила мне заглянуть. Я увидела под микроскопом некий упорядоченный геометрический рисунок — квадратики, треугольники…

— А рисует как раз электронный литограф «Raith-150», — женщины тактично уступили первенство моему «экскурсоводу». — Эта система представляет собой сканирующий электронный микроскоп, электронный пучок которого управляется с помощью специальной программы. Остросфокусированный пучок прорисовывает топологию на поверхности кристаллической «шайбы», то есть на подложке: отдельные элементы, транзисторы размерами до 20 нанометров. Новая установка действует первые месяцы, а долгие годы мы использовали старую систему, усовершенствованную нашими специалистами, она и сейчас исправно работает. Она позволяла оперировать с размерами до 100 нанометров.

А. Латышев показал мне, куда загружаются образцы и что с ними происходит там, в вакуумной камере установки, как формируется структура на подложке, покрытой чувствительным к электронному пучку слоем резиста. Управляет этой совершенной машиной и манипуляциями с образцами самый главный молодой человек, выпускник Новосибирского госуниверситета Дмитрий Насимов. Самого главного не оказалось на месте, но экран монитора светился, голубел в ожидании вывода изображения. Хотелось бы понаблюдать, как физики-художники рисуют.

— Рисование структуры — сложный многооперационный процесс. Требуются различного рода корреляции, например, необходимо учитывать рассеяние электронов, учитываются и особенности материала подложки. Нанолитография — определенный технологический этап в создании новых приборов. Затем образцы перемещаются в другие подразделения, где проводятся операции проявления резиста, облучение ионами, плазменное травление, нанесение токопроводящих слоев и сборка наноустройств. Измерения электронных и оптических свойств наноструктур проводятся на сложных установках, таких как гелиевые криостаты с магнитным полем, установки фотолюминесценции. Например, в лаборатории профессора Дмитрия Квона исследуются квантовые эффекты в электронных интерферометрах, которые создаются методами нанолитографии.

— Это в целом и называется наноструктурированием?

— Да, а нанолитография при этом — ключевой процесс. Наноструктурирование подразумевает, например, и создание рельефа с помощью плазменного травления, и избирательное нанесение различных слоев. Снова сравним с формированием изображения на фотобумаге. Вы создаете рисунок, а затем делаете травление, и в результате гладкая поверхность становится рельефной.

Через несколько комнат на этом же этаже «термостата» работает другой электронный литограф с разрешением 200 нанометров.

Иллюстрация
Владимир Кудряшов, ведущий инженер.

— Это промышленная установка, — поясняет ведущий инженер Владимир Кудряшов, — которая работает с большими пластинами в автоматическом режиме и с переменными штампами (не только 200 на 200 нм). С помощью штампов засвечиваются структуры разной степени сложности. Двенадцать пластин загружается в вакуумную камеру установки, подобно загрузке кюветы в обычной фотографии, а затем изображение проецируется на каждую из пластин.

— Но рисуете сначала на компьютере?

— Управляется компьютером, как и предыдущая установка. Процесс формирования изображения называется экспонированием, а «рисование» подразумевается в кавычках. Наша система промышленного типа экспонирует каждый объект и может хоть неделю работать без остановки. Мы работаем для науки по плану НИР института и как Центр коллективного пользования — для заказчиков. Делаем то, что им требуется. Таким образом, с помощью данных установок мы закрываем важную нишу по изготовлению и диагностике наноструктур, используя нанолитографию.

Когда мы зашли в комнату просвечивающей электронной микроскопии, Александр Латышев обмолвился: «Вы, наверное, знаете, что директор нашего института академик Асеев — специалист по электронной микроскопии. Его кандидатская и докторская диссертации непосредственно связаны с методами электронной микроскопии для анализа структурных дефектов в кремнии и германии…

— Здесь у вас довольно внушительная аппаратура.

— Таких приборов в России считанное количество — 2-3. Хотя уникальный электронный микроскоп был установлен еще в 1990 году, он до сих пор остается одним из самых лучших для исследования атомной структуры материалов. Его разрешающая способность в один ангстрем (одна десятая нанометра) достаточна для визуализации межатомного расстояния в кристалле. Можно рассматривать отдельные атомы.

Иллюстрация
К.ф.-м.н., вед. научный сотрудник Антон Гутаковский, к.ф.-м.н. Людмила Федина.

— Здесь исследуются структуры всех материалов, которые создаются в нашем и других институтах Сибирского региона, — говорит ведущий научный сотрудник Антон Гутаковский. — У нас исследуются объекты физики твердого тела, биологии, медицины, катализа, геологии и минералогии. Очень широкий спектр исследований.

— А кажется все просто! — мне показывают на экране монитора многослойные структуры, состоящие из двух материалов: галлий-мышьяк и алюминий-мышьяк.

— Такие структуры выращиваются с помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии. Этот материал обладает широким спектром прикладного использования. На основе эпитаксиальных структур делают миниатюрные полупроводниковые лазеры, инфракрасные фотодетекторы, сверхвысокочастотные транзисторы. Для отработки технологии получения структур необходимо контролировать ее поэтапно, на каждой стадии технологического процесса. В просвечивающем электронном микроскопе прекрасно видны детали атомной структуры и все дефекты — на экране каждая светлая точка — это колонка пары атомов в направлении падения электронного пучка. Анализируя электронные изображения атомных структур, мы даем рекомендации технологам, как уменьшить количество дефектов и повысить совершенство материала.

Увидела я и так называемые квантовые проволоки. Их размеры в миллион раз тоньше волоса, но при увеличении они кажутся объемными.

— Многослойные эпитаксиальные структуры, квантовые точки и квантовые проволоки — это различные типы наноструктур. Модные материалы, позволяющие намного повысить параметры электронных схем по степени интеграции, быстродействию и энергопотреблению. Одна из глобальных идей — использование их для создания квантового компьютера.

Кстати, специально для таких гостей, как я, физики сделали альбом изображений структур. Показали мне и модель кристалла. Я потрогала его ячеистую структуру и ухватилась за атом…

Электронная микроскопия позволяет исследовать, каким образом перемещаются атомы в кристалле. Энергия электронного пучка очень высокая, 400000 электронвольт. При воздействии таким высокоэнергетическим электронным пучком атомы смещаются со своих позиций в кристалле, и можно напрямую смотреть, как они взаимодействуют друг с другом.

На экране были видны дефекты, возникшие при облучении электронным пучком…

— Такие исследования ведут к пониманию прежде всего фундаментальных законов диффузии точечных дефектов в полупроводниковых кристаллах, — пояснил А. Латышев. — Поскольку задача очень сложная, то она не решается только наблюдением картин атомной структуры. Необходимо решить обратную задачу. С помощью компьютерного моделирования мы восстанавливаем точную атомную структуру из электронно-микроскопических изображений и, сравнивая расчетное значение и реально наблюдаемое, получаем информацию об атомных процессах с участием точечных дефектов. Параллельно с наблюдением эксперимента необходимо компьютерное моделирование, что и проводится в нашем Центре.

В коридоре на стенах вывешены планшеты, на которых красочно изображены возможности моделирования. Мой экскурсовод обратил внимание на разнообразие и красоту атомных конфигураций, возникающих в кремнии в процессе облучения…

— Эту работу у нас проводит Людмила Федина, ведущий специалист по исследованию самых маленьких, так называемых точечных дефектов, в полупроводниковых кристаллах.

Центр «Наноструктуры» использует в работе также и современное отечественное оборудование.

Иллюстрация
К.ф.-м.н. Дмитрий Щеглов, аспирантка Катерина Родякина.

О высоких технологиях мы разговорились с молодым кандидатом физико-математических наук Дмитрием Щегловым. Он отвечает за атомно-силовую микроскопию — метод анализа поверхности кристалла и пленок.

— Мы работаем на оборудовании, которое произведено под Москвой в Зеленограде фирмой «НТ-МДТ» (нанотехнологии — молекулярно-динамические технологии). На прошедшей недавно специализированной Российской выставке эта фирма получила гран-при за самую наукоемкую технологию производства наноструктур. Фабрика так и называется «Нанофаб». Некоторые из устройств этой фабрики у нас представлены. С их помощью можно проводить диагностику поверхности и менять ее свойства в наномасштабе, в размерах нескольких десятков атомов. Эти приборы реализуют предельное разрешение, вообще возможное в литографии. Представьте способность прибора перемещать отдельно несколько атомов и размещать их в нужных местах.

— Интересно, вы защищались по какой тематике?

— Вот как раз по исследованию модификаций свойств поверхности с использованием новых технических возможностей. У нас очень много задач. Широкий фронт.

— А если его сузить?

— В отличие от метода высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии, — вступает в разговор директор ЦКП. — Метод атомно-силовой микроскопии является неразрушающим. Чтобы исследовать кристалл методом электронной микроскопии, нужно отрезать от него кусочек, сделать тонким, прозрачным для электронов, — меньше микрона толщиной, а затем проводить исследования. А нам нужны неразрушающие методы для контроля технологий. Здесь Дмитрий Щеглов и Екатерина Родякина проводят такой неразрушающий контроль тех наноструктур, технологии создания которых разрабатываются в нашем институте и других институтах СО РАН. Для примера — исследование эпитаксиальных структур КРТ (соединений кадмий-ртуть-теллур). Метод позволяет выявлять и исследовать рельеф образца с точностью до 0,8 ангстрема — то, что у нас получено. Для сравнения: характерное расстояние в кристаллической решетке — несколько ангстрем. То есть разрешение метода меньше, чем расстояние между атомами. С такой точностью можно посмотреть рельеф поверхности и исследовать его.

Мне показали и рассказали, как это делается на атомно-силовом микроскопе. Управляющий компьютер по специальной программе дает команду, и атомно-острая игла с нанометровым размером острия начинает обстукивать поверхность исследуемого объекта. Стандартные иглы изготавливаются из кремния, но, если необходимо, используют другие — с магнитным или проводящим покрытием.

— Метод как раз основан на том, что иголка, подведенная к поверхности, «чувствует» различные силовые взаимодействия. Отсюда многообразные исследования на одном инструменте в интересах институтов Ядерной физики, Катализа, Неорганической химии. Например, в Институте катализа или в ИНХе работают с пористыми структурами. Им важно знать шероховатость структуры в нанометровом масштабе. И мы даем такую информацию. На очереди — исследование локальных электрофизических свойств поверхности.

— Эти «штучки» делают в Зеленограде?

— Да, — ответил Дмитрий Щеглов, — это упомянутая фирма НТ-МДТ, возглавляемая Виктором Быковым. Мы тесно сотрудничаем с фирмой.

Время от времени Центр пополняется новыми приборами. Некоторые похожи на уже работающие. Загадочный ответ несколько озадачил: «Похож, но более совершенный, Мы его аттестовали, приводим в чувство». Собеседник продолжает рассказывать.

— Сейчас намечается небольшая модернизация. Будем устанавливать камеру с контролируемой атмосферой, оптимизировать под наши задачи. Прибор очень чувствительный. Пройдешь по комнате, он будет регистрировать шаги. Мы как-то пошутили — если установить прибор на большой глубине, то можно и землетрясение зарегистрировать…

Наконец-то добрались до комнаты диагностики, где я познакомилась с Сергеем Косолобовым — выпускником Новосибирского госуниверситета.

— Здесь находится уникальное электронно-микроскопическое диагностическое оборудование. Подобным обладает только Токийский институт технологий (Япония), Марсельский университет (Франция) и наш Институт физики полупроводников. Это метод отражательной электронной микроскопии, позволяющий наблюдать на поверхности атомные процессы, которые происходят при высоких температурах. Можно нагреть кристалл кремния до 1200-1300 градусов. Он будет, как электрическая лампочка сиять — светиться. Используя этот метод, можно не только наблюдать процесс и фиксировать изображения поверхности, но и записывать видео, то есть смотреть, как процесс развивается в реальном времени.

Напарник Сергея подготовил видеоряд…

— Вот один из примеров — моноатомные ступени высотой в три ангстрема, причем изображение получено при температуре 1280 градусов… И, наконец, смотрите, что происходит — поверхность перестраивается, система ведет себя как живая.

— Так всегда бывает и при обжиге глины, поливной керамики…

— Правильно, но здесь все же несколько другое. Здесь идет процесс сублимации. Атомы отрываются от моноатомных ступеней, перемещаются по поверхности и испаряются с поверхности. В результате ступень перемещается. Это движение как раз связано с отрывом атома от поверхности. Никакой другой метод не может представить такой видеофильм. Наш институт в числе первых, кто развивает метод отражательной электронной микроскопии. Если уточнить, первыми были японцы, мы — вторыми в мире.

Мне охотно показали «кучу» нового оборудования, сделанного своими силами, как пошутил Сергей, made in Russia. Таким образом обновляются электронные микроскопы двадцатилетней давности и периферийная аппаратура.

Линии связи

Как выяснилось, методу отражательной электронной микроскопии посвящены кандидатская и докторская диссертация Александра Латышева. С помощью уникальной техники удалось открыть ряд новых явлений, таких как обратимая перестройка регулярной системы моноатомных ступеней в систему эшелонов ступеней, самоорганизация кластеров золота на поверхности кремния и других. Высокие научные показатели подтверждаются высокими индексами цитирования. Метод, разумеется, используется в рамках Центра коллективного пользования.

В Центре имеется аналитическое диагностическое оборудование, которое позволяет определять химический состав исследуемых образцов. Это оборудование расположено в другом здании института, где исследования проводит Валерий Кеслер. В Институте катализа СО РАН такими работами занимаются под руководством Валерия Бухтиярова, а в Институте неорганической химии СО РАН — под руководством Льва Мазалова.

— Если конкретно, в Центре выполняется комплексный проект с Институтом катализа, где используется отражательная электронная микроскопия, методы высокоразрешающей и сканирующей электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии.

— Александр Васильевич, уточните линии связи вашего Центра.

— Кроме Сибирского отделения и предприятий Сибирского региона, география — от Санкт-Петербурга до Владивостока. У нас тесные отношения с научными организациями и предприятиями Москвы, Нижнего Новгорода, Екатеринбурга, Снежинска, Томска, Красноярска, Иркутска. Работаем с Зеленоградом, где изготавливают уникальные атомно-силовые микроскопы. Вы видели подобные у нас. Тесные контакты, совместные исследования и проекты, с Физико-техническим институтом им. А.Ф.Иоффе, где академик Жорес Алферов в настоящее время является научным руководителем.

— Центр нынче будет отмечать свое десятилетие, не так ли?

— На самом деле Центр коллективного пользования существовал всегда. Лаборатория электронной микроскопии и субмикронных структур по определению выполняла функции Центра, хотя не имела такого статуса. По большому счету и сейчас оптимальные для наших условий организационные структуры ЦКП не найдены. Я в первую очередь заведующий лабораторией, а уже потом директор Центра, научный консультант. В каком-то смысле Центр существует виртуально, потому что мы не можем объединить сотрудников разных институтов и финансы. Получается так, что структура ЦКП является неформальной, но реально обеспечивающей необходимые потребителям структурные исследования.

— Получается Центр распределенного типа?

— Если угодно, да — Центр коллективного пользования распределенного типа. Потому что он расположен в разных институтах и лабораториях. Но не все сотрудники, скажем, моей лаборатории входят в штат Центра. В наши дни Центру придается более высокий статус. Создан сайт нашего Центра, куда можно обратиться и получить информацию (www.isp.nsc.ru/ckp). Существуют определенные обязательства перед заказчиком. Исследования должны выполняться в срок. Если поступил заказ или его выполнение идет полным ходом, сотрудники Центра даже во время отпусков выходят на работу. На Западе организация подобных сервисных служб более отработана. Там существуют специализированные центры коллективного пользования со своим штатом сотрудников, инженерными группами. Исследователям очень удобно: проплатили время работы на приборах — и других забот нет. Российские центры коллективного пользования, создававшиеся по аналогии с зарубежными, пока не имеют проработанного в должной мере организационного, имущественного и юридического статуса.

— Но Сибирское отделение поддерживает всякого рода исследования в ЦКП.

— Поддерживает и финансирует. В последние два года мы получаем средства на развитие от Российского агентства по науке и инновациям, что исключительно важно для развития ЦКП. Мы участвуем на конкурсной основе в федеральных научно-технических программах довольно широкого круга. Для поступательного развития ЦКП в Сибирском отделении организована специальная структура — Ассоциация центров коллективного пользования, которую возглавляет академик Ренад Сагдеев. Бюро Ассоциации курирует общие вопросы, связанные с направлениями научных исследований центров, их тематикой, проблемами совместного использования дорогостоящего оборудования. Таким образом, импортное или отечественное дорогостоящее оборудование, имеющееся в институтах, становится открытым для исследователей из других институтов. Это позволяет нам группироваться не только на стадии проведения тех или иных работ. Разрабатываем совместно и пишем заявки на гранты и интеграционные проекты. Но время не стоит на месте, и проблема обеспечения институтов и ЦКП современным аналитическим и диагностическим оборудованием по-прежнему актуальна. Работа Президиума СО РАН и его приборной комиссии направлена на выполнение такой универсальной программы. Это напрямую касается Центра «Наноструктуры». Конечно, вдохновителем работы Центра остается директор Института физики полупроводников. Его стараниями мы развернулись, расширили связи, в том числе и с заказчиками — производственниками.

На этот счет я получила информацию из рук Александра Асеева, о чем и сообщила своему собеседнику. А. Асеев отметил, что в прошлом году выполнялись работы в интересах Новосибирских акционерных обществ «Октава» и «Катод». Наиболее востребованной оказалась разработка, направленная на снижение плотности дефектов в эпитаксиальных слоях соединений кадмий-ртуть-теллур — одного из основных фоточувствительных материалов дальнего ИК-диапазона. Результаты этой работы нашли применение у ведущих предприятий страны в области тепловидения и ИК-техники (ФГНЦ «НПП «Орион», ОАО»Московский завод «Сапфир», ОАО «Альфа», все — г. Москва).

Опыт работы ЦКП «Наноструктуры» свидетельствует о его большом потенциале в обеспечении мультидисциплинарного, межведомственного подхода к решению научно — технических проблем и задач развития современных конкурентоспособных технологий.

— Но исследования усложняются, — сказал А. Латышев. — Создаются новые методики, и это самое главное. Есть методы, которые были открыты в результате исследования атомных процессов на поверхности полупроводников. Обнаруженное явление осцилляций интенсивности зеркально отраженного электронного пучка в процессе эпитаксиального роста использовано для автоматической регистрации процесса формирования отдельных атомных слоев. Этот метод, вообще говоря, совершил революцию в системе управления процессом роста в методе молекулярно-лучевой эпитаксии за счет обратной связи между выращиваемой структурой и параметрами осаждения. Система диагностики благодаря компьютерному управлению автоматически изменяет параметры источников молекулярных пучков, положением заслонок.

— Но все-таки вы больше работаете автономно, для науки…

— Вы не правы. К примеру, наука и производство — программа «Силовая электроника Сибири». И с оставшимися в России успешно действующими предприятиями контактируем напрямую. Работаем также с такой известной фирмой, как «Самсунг». Эта крупнейшая в мире фирма по производству электронных компонент переходит на наноразмеры, использует нанотехнологии. Начинают работать с элементами нанометрового диапазона, увеличивая при этом частоту, скорость работы приборов… Я обращаю большое внимание на наноэлектронику лишь потому, что полупроводниковое материаловедение — специфика нашего института. А в Центре выполняются также исследования биологических структур. Другое дело, трудно сказать, что нанотехнологии широко распространены. Во-первых, многие нанотехнологии еще не развиты, их нужно дорабатывать, контролировать, исследовать. Мы многое научились делать, и для заказчиков выдаем сертифицированную продукцию. Подчеркну важную мысль: мы выполняем не только диагностическую функцию, но начинаем действовать как технологический центр.

Нерешенных задач еще достаточно, и эти проблемы общие для ЦКП. Как их решить — специалисты знают. Академик  А. Асеев высказался вполне определенно:

«Для устойчивой работы и дальнейшего развития ЦКП необходимо дальнейшее оснащение современным оборудованием, обеспечение запчастями и комплектующими за счет как бюджетных, так и внебюджетных средств. Представляется целесообразным, и эта работа уже ведется в ЦКП „Наноструктуры“ совместно с Новосибирским государственным университетом, подготовка на основе уникальной научно-технической базы ЦКП высококвалифицированной научной и инженерной элиты в кооперации с ведущими вузами. Необходима проработка административно-хозяйственного и финансового статуса ЦКП для эффективного взаимодействия с пользователями разных форм собственности в рамках гражданского, бюджетного и налогового кодексов Российской Федерации».

Фото Владимира Новикова

стр. 4-5

в оглавление

Версия для печати  
(постоянный адрес статьи) 

http://www.sbras.ru/HBC/hbc.phtml?9+389+1