Разработка кластерной технологии планаризации поверхности диэлектрических материалов (сапфир, кварцевое стекло) для создания нового поколения приборов и устройств для различных отраслей промышленности

Информация о выполнении проекта № 14.584.21.0064

О выполнении прикладных научных исследований (проекта) по теме «Разработка кластерной технологии планаризации поверхности диэлектрических материалов (сапфир, кварцевое стекло) для создания нового поколения приборов и устройств для различных отраслей промышленности»

 

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от от «20» октября 2014 г. № 14.578.21.0064 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 1 в период с 20.10.2014 г. по 31.12.2014 г. выполнялись следующие работы:

  1. Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ.
  2. Проведение патентных исследований по тематике проекта в соответствии ГОСТ Р 15.011-96.
  3. Разработка и исследование вариантов возможных решений задач ПНИ и выбор оптимального варианта.
  4. Разработка рекомендаций по созданию программы моделирования процесса образования кластеров при прохождении газов в вакууме через сверхзвуковое сопло, включая разработку физической и математических моделей процессов формирования кластерных пучков для планаризации поверхности.
  5. Разработка и отладка программы моделирования процесса образования кластеров при прохождении газов в вакууме через сверхзвуковое сопло.
  6. Проведение расчета характеристик газов, адиабатически расширяемых в вакуум через сверхзвуковое сопло, необходимых для зарождения в нем кластеров.
  7. Проведение расчета распределения кластеров по размеру, определение взаимосвязи функции распределения кластеров по размеру с условиями расширения газа, формой, размерами сопла, давлением и температурой.
  8. Проведение экспериментальных работ на действующем макете ускорителя ионных кластеров для определения параметров разрабатываемых узлов: держателя сопла с системой подачи газов в вакуумную камеру, скиммера и ионизатора нейтрального кластерного пучка.
  9. Разработка технического задания на проектирование узлов лабораторного стенда для получения планаризованных материалов: держателя сопла с системой подачи газов в вакуумную камеру, скиммера и ионизатора нейтрального кластерного пучка.
  10. Разработка эскизной конструкторской документации на лабораторный стенд для получения планаризованных материалов.
  11. Закупка оборудования и/или материалов для проведения исследований.
  12. Исследования предельных возможностей химико-механической полировки (ХМП) при обработке поверхностей изделий для оптоэлектроники.
  13. Исследование технологических решений и методов, расширяющих возможности химико-механической полировки (ХМП).

 

При этом были получены следующие основные результаты:

  • Разработан комплекс алгоритмов и программ для численного моделирования процесса формирования кластерных пучков, состоящий из двух модулей: модуля для математическое моделирование неравновесного кластерообразования при течении газа через сопло и модуля подробного моделирования течения газа в системе камера высокого давления, сопло, струя в вакуумной камере и скиммер в осесимметричной постановке.
  • Разработана эскизная конструкторская документация на лабораторный стенд для получения планаризованных материалов, включая вакуумную и газовую части ускорителя газовых кластерных ионов.
  • Проведены предварительные экспериментальные работы по планаризации поверхности материалов, применяемых в оптоэлектронике, на действующем макете ускорителя ионных кластеров для определения параметров разрабатываемых узлов: держателя сопла с системой подачи газов в вакуумную камеру, скиммера и ионизатора нейтрального кластерного пучка.

Программа моделирования процесса образования кластеров при прохождении газов в вакууме через сверхзвуковое сопло обеспечивает определение оптимальных параметров формирования стабильного пучка газовых кластерных ионов с требуемой энергией и размерами кластеров, функции распределения кластеров по размеру в зависимости от условий расширения газа, формы, размеров сопла, необходимых для осуществления планаризации.

Разрабатываемый лабораторный стенд для получения планаризованных материалов будет обеспечивать равномерное по дозе облучение исследуемых материалов на площади не менее 100 мм2.

Уникальность проекта заключается в разработке и практическом использовании новых, не известных ранее технологий планаризации поверхностей твердых тел пучками кластерных ионов, пригодных для использования не только в оптоэлектронике, но и других областях промышленности. Кроме того, разрабатываемая технология обеспечит планаризацию до атомного уровня шероховатости поверхности сверхтвердых материалов (алмаза, сапфира, корунда и т.п.), недостижимую известными технологиями.

Результаты работ соответствую требованиям технического задания к выполняемому проекту.

 

 

Информация о выполнении проекта
от 20.10.2014г. №14.578.21.0064

 

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от «20» октября 2014 г. №14.578.21.0064 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 2 в период с «01» января 2015 г. по «30» июня 2015 г. выполнялись следующие работы:

  • изготовление лабораторного стенда для получения планаризованных материалов;
  • изготовление тестовых образцов для экспериментальной отработки лабораторной методики изучения состава и топографии поверхности сапфира и кварцевого стекла после процесса планаризации;
  • разработка лабораторной методики изучения состава и топографии поверхности сапфира и кварцевого стекла после процесса планаризации;
  • разработка лабораторной методики изготовления экспериментальных образцов планаризованных материалов;
  • разработка программы и методик исследовательских испытаний лабораторного стенда для получения планаризованных материалов
  • проведение маркетинговых исследований, включая обоснование социально-экономической эффективности использования результатов проекта.

При этом были получены следующие результаты:

  • разработан комплекс алгоритмов и программ для численного моделирования процесса формирования кластерных пучков, состоящий из двух модулей: модуля для математическое моделирование неравновесного кластерообразования при течении газа через сопло и модуля подробного моделирования течения газа в системе камера высокого давления, сопло, струя в вакуумной камере и скиммер в осесимметричной постановке.
  • разработана эскизная конструкторская документация на лабораторный стенд для получения планаризованных материалов, включая вакуумную и газовую части ускорителя газовых кластерных ионов.
  • проведены предварительные экспериментальные работы по планаризации поверхности материалов, применяемых в оптоэлектронике, на действующем макете ускорителя ионных кластеров для определения параметров разрабатываемых узлов: держателя сопла с системой подачи газов в вакуумную камеру, скиммера и ионизатора нейтрального кластерного пучка.
  • изготовлен лабораторный стенд для получения планаризованных материалов, включая держатель сопла с системой подачи газов в вакуумную камеру под давлением, скиммер, ионизатор нейтрального кластерного пучка термоэмиссионного типа. Лабораторный стенд изготовлен в соответствии с ЭКД, разработанной на 1 этапе ПНИ, и обеспечивает проведение всего комплекса исследований по получению экспериментальных образцов планаризованных материалов с заданными характеристиками.
  • разработана лабораторная методика выполнения операций изготовления экспериментальных образцов планаризованных материалов – сапфира и кварцевого стекла - (площадью не менее 100 мм2) для оптики и оптоэлектроники с помощью ускоренных пучков газовых кластерных ионов.
  • разработана лабораторная методика изучения состава и топографии поверхности сапфира и кварцевого стекла после процесса планаризации методами АСМ и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии.
  • изготовлены тестовые образцы для экспериментальной отработки лабораторной методики изучения состава и топографии поверхности сапфира и кварцевого стекла после процесса планаризации в количестве 10 шт.
  • разработана программа и методики исследовательских испытаний лабораторного стенда для получения планаризованных материалов, программа и методики обеспечивают проверку состава, характеристик и функциональности лабораторного стенда в ходе его исследовательских испытаний.
  • проведены маркетинговые исследования по теме ПНИ, включая обоснование социально-экономической эффективности использования результатов проекта. Исследования рынка показали, что при коммерциализации результатов ПНИ необходимо ориентироваться на диаметр пластин лейкосапфира – 6 дюймов.

 

Программа моделирования процесса образования кластеров при прохождении газов в вакууме через сверхзвуковое сопло обеспечивает определение оптимальных параметров формирования стабильного пучка газовых кластерных ионов с требуемой энергией и размерами кластеров, функции распределения кластеров по размеру в зависимости от условий расширения газа, формы, размеров сопла, необходимых для осуществления планаризации.

Разработанный лабораторный стенд для получения планаризованных материалов обеспечивает равномерное по дозе облучение исследуемых материалов на площади не менее 100 мм2.

Уникальность проекта заключается в разработке и практическом использовании новых, не известных ранее технологий планаризации поверхностей твердых тел пучками кластерных ионов, пригодных для использования не только в оптоэлектронике, но и других областях промышленности. Кроме того, разрабатываемая технология обеспечит планаризацию до атомного уровня шероховатости поверхности сверхтвердых материалов (алмаза, сапфира, корунда и т.п.), недостижимую известными технологиями.

Результаты ПНИ соответствую требованиям технического задания и плана графика исполнения обязательств по Соглашению о предоставлении субсидии от «20» октября 2014 г. №14.578.21.0064.

 

Информация о выполнении проекта
от 20.10.2014г. №14.578.21.0064

 

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от «20» октября 2014 г. №14.578.21.0064 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №3 в период с «01» июля 2015 г. по «31» декабря 2015 г. выполнялись следующие работы:

  • расчёт и оптимизация ионной оптики ускорителя ионов кластерного пучка;
  • запуск и экспериментальная оптимизация режимов работы лабораторного стенда для получения планаризованных материалов;
  • проведение исследовательских испытаний лабораторного стенда для получения планаризованных материалов;
  • разработка методика подавления зарядки поверхности диэлектрика в процессе облучения пучком кластерных ионов;
  • оценка соответствия параметров лабораторного стенда для получения планаризованных материалов требованиям технического задания.
  • изготовление подложек для получения экспериментальных образцов планаризованных материалов (кварцевого стекла и сапфира);
  • проведение исследований подложек для получения экспериментальных образцов планаризованных материалов (кварцевого стекла и сапфира);
  • закупка оборудования и/или материалов для проведения исследований;

При этом были получены следующие основные результаты:

  1. Выполнен расчёт и оптимизация ионной оптики ускорителя ионов кластерного пучка. Проведенные расчеты позволяют оптимизировать параметры системы ускорения и фокусировки пучка кластерных ионов. Из расчетов следует, что наиболее оптимальными являются следующие параметры системы: D1 = D2 = 10 мм, L = 10 мм, q = j = 22,5°.
  2. Проведен запуск и экспериментальная оптимизация режимов работы лабораторного стенда для получения планаризованных материалов. Показана применимость метода визуализации потока газа с помощью тлеющего разряда для условий ускорителя газовых кластерных ионов.
  3. Проведены исследовательские испытания лабораторного стенда для получения планаризованных материалов. Объект испытаний и его техническая документация выдержали исследовательские испытания по Программе и методикам.
  4. Разработана методика подавления зарядки поверхности диэлектрика в процессе облучения пучком кластерных ионов. Методика основана на подавлении заряда поверхности с помощью источник электронов, представляющего собой нить накала, питаемую напряжением до нескольких вольт и находящуюся под нулевым потенциалом относительно земли.
  5. Выполнена оценка соответствия параметров лабораторного стенда для получения планаризованных материалов требованиям технического задания.
  6. Изготовлены подложки для получения экспериментальных образцов планаризованных материалов (кварцевого стекла и сапфира).
  7. Проведено исследование подложек для получения экспериментальных образцов планаризованных материалов (кварцевого стекла и сапфира). Установлено, что поверхность экспериментальных образцов содержит микродефекты, царапины, оставленные зернами абразива при химико-механической полировке. Оценка среднеквадратичной шероховатости поверхности изготовленных образцов (по АСМ) приводит к значениям: 1,3 нм для Al2O3 и 1,2 нм для кварцевого стекла. Однако среднеквадратичная шероховатость образцов в измеренной области между микроцарапинами близка к теоретическому пределу. Химический состав поверхности образцов (после травления ионами аргона) близок к стехиометрическому.
  8. Осуществлена закупка оборудования для проведения исследований.

Новизна проекта заключается в разработке и практическом использовании новых, не применяемых ранее технологий планаризации поверхностей твердых тел пучками кластерных ионов, пригодных для использования не только в оптоэлектронике, но и других областях промышленности. Кроме того, разрабатываемая технология обеспечит планаризацию до атомного уровня шероховатости поверхности сверхтвердых материалов (алмаза, сапфира, корунда и т.п.), недостижимую известными технологиями. Разработка ионно-кластерной технологии планаризации поверхности диэлектрических материалов будет способствовать эффективному решению задачи импортозамещения элементной базы микроэлектроники.

Полученные результаты полностью удовлетворяют требованиям Технического задания и Плана-графика исполнения обязательств Соглашения о предоставлении субсидии от «20» октября 2014 г. № 14.578.21.0064 с дополнительными соглашениями №1 от «30» июня 2015 г. и №2 от «30» декабря 2015 г.

 

 

 

 

Информация о выполнении проекта
от 20.10.2014 г. №14.578.21.0064

 

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от «20» октября 2014 г. №14.578.21.0064 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №4 в период с «01» января 2016 г. по «30» июня 2016 г. выполнялись следующие работы:

  • получение экспериментальных образцов планаризованных материалов;
  • разработка программы и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов планаризованных материалов;
  • проведение исследовательских испытаний экспериментальных образцов планаризованных материалов;
  • закупка оборудования и/или материалов для проведения исследований;
  • экспериментальные исследования влияния планаризации поверхности на оптические характеристики материалов оптоэлектроники.

При этом были получены следующие основные результаты:

  1. С помощью лабораторного стенда – ускорителя кластерных ионов – получены экспериментальные образцы планаризованных материалов в количестве 4 шт., в том числе: кварцевое стекло – 2 шт., сапфир – 2 шт. Экспериментальные образцы представляют собой пластины, половина одной из поверхностей которых планаризована, а вторая осталась в первоначальном состоянии.
  2. Разработана программа и методик исследовательских испытаний экспериментальных образцов планаризованных материалов. Согласно предлагаемой программе и методикам, основным методом исследования нанорельефа поверхности экспериментальных образцов сапфира и кварцевого стекла является сканирующая зондовая микроскопия (атомно-силовая микроскопия в контактном и/или полуконтактном режимах).
  3. Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов планаризованных материалов. Рельеф поверхности образцов до и после воздействия пучка кластерных ионов изучался с помощью сканирующего зондового микроскопа «Solver NEXT» (НИЯУ МИФИ) и MFP-3D StandAlone (ЦКП «Материаловедение и металлургия» НИТУ МИСИС). Измерения проходили в контактном и полуконтактном режимах. Размер области сканирования 3×3, 5×5 и 10×10 мкм, разрешение изображения 1024×1024 точки. Объекты испытаний выдержали исследовательские испытания по разработанной Программе и методикам.
  4. Осуществлена закупка оборудования для проведения исследований.
  5. Выполнены экспериментальные исследования влияния планаризации поверхности на оптические характеристики материалов оптоэлектроники.

Новизна проекта заключается в разработке и практическом использовании новых, не применяемых ранее технологий планаризации поверхностей твердых тел пучками кластерных ионов, пригодных для использования не только в оптоэлектронике, но и других областях промышленности. Кроме того, разрабатываемая технология обеспечит планаризацию до атомного уровня шероховатости поверхности сверхтвердых материалов (алмаза, сапфира, корунда и т.п.), недостижимую известными технологиями. Разработка ионно-кластерной технологии планаризации поверхности диэлектрических материалов будет способствовать эффективному решению задачи импортозамещения элементной базы микроэлектроники.

Полученные результаты полностью удовлетворяют требованиям Технического задания и Плана-графика исполнения обязательств Соглашения о предоставлении субсидии от «20» октября 2014 г. № 14.578.21.0064 с дополнительными соглашениями №1 от «30» июня 2015 г., №2 от «30» декабря 2015 г. и №3 от «17» июня 2016 г.

 

Информация о выполнении проекта
от 20.10.2014г. №14.578.21.0064

 

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от «20» октября 2014 г. №14.578.21.0064 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №5 в период с «01» июля 2016 г. по «31» декабря 2016 г. выполнены следующие работы:

  • доработка лабораторного стенда для получения планаризованных материалов по результатам исследовательских испытаний;
  • разработка лабораторного технологического регламента планаризации поверхности материалов ускоренными ионно-кластерными пучками;
  • исследование кинетики планаризации поверхности ионно-кластерными пучками;
  • экспериментальное исследование состава и топографии поверхности сапфира и кварцевого стекла после процесса планаризации;
  • корректировка лабораторного технологического регламента планаризации поверхности материалов ускоренными ионно-кластерными пучками;
  • разработка рекомендаций по оптимизации процессов планаризации поверхности материалов оптоэлектроники пучками ускоренных кластерных ионов по результатам исследования состава и топографии поверхности сапфира и кварцевого стекла после процесса планаризации;
  • обобщение полученных результатов;
  • экспериментальная доводка лабораторного технологического регламента планаризации поверхности ускоренными ионно-кластерными пучками (выделение наиболее эффективного диапазона варьирования набором параметров, обеспечивающих оптимальные режимы планаризации);
  • разработка проекта технического задания на проведение ОТР по теме: «Разработка промышленной технологии планаризации поверхности диэлектрических материалов (сапфир, кварцевое стекло)».

При этом были получены следующие основные результаты:

  1. Разработана эскизная конструкторская документация на доработанные узлы лабораторного стенда для получения планаризованных материалов. В соответствии с эскизной конструкторской документацией проведена доработка лабораторного стенда для получения планаризованных материалов: изготовлены и установлены две новые вакуумные камеры (камера системы формирования пучка газовых кластеров и камера системы ионизации и ускорения газовых кластеров). Кроме того, установлены новые высоковольтные токовводы, выдерживающие напряжение до 35 кВ.
  2. Разработан лабораторный технологический регламент планаризации поверхности материалов ускоренными ионно-кластерными пучками.
  3. Исследована кинетика планаризации поверхности образцов карбида кремния при ее ионно-кластерной обработке. Продемонстрировано значительное сглаживание рельефа пластин 6H-SiC после обработки пучком кластерных ионов. Установлено, что параметр Rq уменьшается в 1,5-2 раза в зависимости от кристаллографической ориентации поверхности. Продемонстрированы возможности ионно-кластерной обработки как финишного этапа приготовления сверхгладких поверхностей материалов-подложек для функциональных элементов оптоэлектроники и прецизионной оптики, а также возможности ФШС как метода, способного обеспечить соответствующий контроль качества «планаризации» и сглаживания рельефа рабочей поверхности на наноуровне. В ходе выполнения исследований установлено, что ионно-кластерная обработка при выбранных режимах воздействия, приводит, во-первых, к сглаживанию дефектов поверхности экспериментальных образцов, мерой которого может служить изменение параметров σ и Sc(L0-1), и, во-вторых, к ее «планаризации», мерой которой являются величины среднеквадратичных отклонений ФШС параметров.
  4. Выполнены экспериментальные исследования топографии поверхности образцов сапфира и кварцевого стекла до и после процесса планаризации. Среднеквадратичная шероховатость поверхности образцов Al2O3 и кварцевого стекла после ионно-кластерной обработки составляет величину не более 0,2 нм. Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) выполнено исследование состава поверхности образцов сапфира и кварцевого стекла до и после процесса планаризации. Обнаружено присутствие адсорбированного кислорода и углерода на поверхности образца Al2O3 после его ионно-кластерной обработки, а также незначительное уширение пиков O1s и Al2p, связанное с процессом аморфизации приповерхностной области в результате бомбардировки кластерными ионами; Ионная очистка поверхности образца Al2O3 приводит к удалению слоя адсорбата. Спектры Al2p и O1s эталонного и экспериментального образцов после ионного травления (Ar+ с энергией 1 кэВ в течение 2 мин) соответствуют A2O3.
  5. Разработаны рекомендации по оптимизации процессов планаризации поверхности материалов оптоэлектроники пучками ускоренных кластерных ионов. На основе разработанных рекомендаций предложен способ финишной планаризации поверхности материалов оптоэлектроники и оптики пучками ускоренных кластерных ионов и нейтральных атомов, включающий обработку образцов с помощью пучка газовых кластерных ионов, отличающийся тем, что обработка поверхности осуществляется в две стадии.
  6. На основе сделанных рекомендаций по оптимизации процессов планаризации поверхности материалов оптоэлектроники пучками ускоренных кластерных ионов проведена корректировка лабораторного технологического регламента планаризации поверхности материалов.
  7. Изучены зависимости относительного среднего размера кластеров от давления газа на входе в сопло, среднего размера кластеров аргона от эквивалентного сечения сопла для различных значений параметра Хагены, эффективности ионизации от тока эмиссии ионизатора. Установлено, что распределение кластеров по массам уже на входе в систему можно изменять, задавая условия формирования кластеров и условия ионизации пучка нейтральных частиц. В качестве оптимальных параметров ионизации пучка могут быть выбраны: эмиссионный ток 300 мА, энергия электрона 100 эВ.
  8. Выработаны технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера. С учетом выработанных требований выполнена разработка проекта технического задания на проведение ОТР по теме: «Разработка промышленной технологии планаризации поверхности диэлектрических материалов (сапфир, кварцевое стекло).
  9. Выполнено обобщение полученных в ходе выполнения ПНИ результатов. Анализ полученных результатов показал, что цели ПНИ достигнуты в полном объеме.

Новизна проекта заключается в разработке и практическом использовании новых, не применяемых ранее технологий планаризации поверхностей твердых тел пучками кластерных ионов, пригодных для использования не только в оптоэлектронике, но и других областях промышленности. Кроме того, разрабатываемая технология обеспечит планаризацию до атомного уровня шероховатости поверхности сверхтвердых материалов (алмаза, сапфира, корунда и т.п.), недостижимую известными технологиями. Разработка ионно-кластерной технологии планаризации поверхности диэлектрических материалов будет способствовать эффективному решению задачи импортозамещения элементной базы микроэлектроники.

Полученные результаты полностью удовлетворяют требованиям Технического задания и Плана-графика исполнения обязательств Соглашения о предоставлении субсидии от «20» октября 2014 г. № 14.578.21.0064 с дополнительными соглашениями №1 от «30» июня 2015 г., №2 от «30» декабря 2015 г. и №3 от «17» июня 2016 г.

 

62