КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-79-10061

НазваниеНаноструктурирование функциональных поверхностей материалов с помощью газоструйных ионно-кластерных пучков для полупроводниковой продукции

РуководительНиколаев Иван Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет", Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2023 - 06.2026 

Конкурс№85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-302 - Корпускулярные, плазменные и лучевые источники для исследований и практики

Ключевые словананоструктуры, газофазный кластерный ион, наноинженерия поверхности, полупроводники, морфология поверхности, функциональные материалы

Код ГРНТИ29.19.21, 29.29.41, 29.29.49

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
На сегодняшний день формирование наноструктур на функциональных поверхностях различных материалов востребовано в солнечной энергетике, электронной технике, телекоммуникации, плазмонике, оптоэлектронике, создании высокочувствительных датчиков и других технологических приложений. Благодаря различным видам наноструктур (волнообразным, конусным, нанопилларам и др.), можно получать материалы с измененными или приобретенными свойствами, такими как высокая электрическая и/или термическая проводимость, оптическая активность, супергидрофобность и т.д. Наноструктурирование поверхности является апробированным способом улучшения функциональных свойств различных материалов без изменений их химического состава. Целью данного проекта является развитие и совершенствование эффективного способа наноструктурирования функциональных поверхностей материалов для полупроводниковой продукции путем обработки ионно-кластерным пучком аргона (и возможно других благородных газов) при наклонных углах падения. Преимуществом пучков газовых кластерных ионов является высокая эффективность обработки поверхности материалов при минимальном повреждении приповерхностной структуры мишени. К настоящему времени формирование наноструктур с помощью кластерных ионов не описано в теоретических моделях. Данное направление имеет ограниченное количество экспериментальных работ. Впервые будет проведено комплексное исследование формирования наноструктур за счет сложных физико-химических процессов взаимодействия кластерных ионов с твердым телом при наклонных углах падения. Экспериментально будут определены основные физические характеристики и закономерности процессов (эффективность формирования наноструктур, их параметры, полный и удельный коэффициенты распыления и др.) при варьировании в широком диапазоне определяющих параметров кластерных ионов и условий обработки (полной и удельной кинетической энергии, размеров кластеров, угла падения кластеров на мишени, дозы облучения). Будут обоснованы взаимосвязи между параметрами ионно-кластерного пучка и режимами обработки с морфологией поверхности, параметрами формируемых наноструктур и, в конечном счете, с функциональными характеристиками материалов. Будут определены оптимальные режимы для наиболее эффективного формирования наноструктур с требуемыми параметрами и минимальным повреждением обрабатываемого материала. Для диагностики основных характеристик морфологии поверхности обрабатываемых материалов (топография поверхности, фазовый состав, химический состав и структура подповерхностного слоя, толщина формируемого поврежденного слоя и др.) в нанометровом масштабе будет использоваться комплекс взаимодополняющих современных диагностических методик: атомно-силовая и сканирующая электронная микроскопии (АСМ и СЭМ), оптическая эллипсометрия, спектроскопия комбинационного рассеяния света (КРС), рентгенофазовый анализ (РФА), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) и др. Для подробного анализа комплексных процессов взаимодействия газовых кластеров с твердым телом с характерным временем единицы-десятки пикосекунд будет использоваться метод молекулярной динамики (МД). Исследования будут проводиться как с элементарными полупроводниками (Si, Ge), так и с двухкомпонентными полупроводниковыми соединениями типа AIIIBV различного химического состава: InSb, InP, GaN и др.

Ожидаемые результаты
Будет исследовано влияние режимов обработки кластерными ионами на морфологию приповерхностного слоя и получены новые систематические экспериментальные данные о формируемых наноструктур. Будут установлены фундаментальные закономерности изменения коэффициентов распыления (полного и удельного), скорости распыления и глубины поврежденного слоя от определяющих параметров ионно-кластерного пучка: среднего размера кластеров, массы атомов, полной и удельной кинетической энергии, угла падения на поверхность, кристаллографической ориентации мишени. Впервые будут получены подробные данные по МД-моделированию быстропротекающих процессов взаимодействия газовых кластеров с поверхностью различных полупроводниковых материалов, определены глубина вносимого повреждения, коэффициенты распыления и исследована селективность распыления полупроводниковых соединений. Благодаря анализу и сопоставлению экспериментальных и численных результатов будут выявлены ключевые закономерности процессов и основные критерии, определяющие механизмы формирования самоупорядоченных наноструктур при обработке кластерными ионами. Будут определены оптимальные режимы обработки кластерными ионами для получения наноструктур с требуемыми характеристиками. Будет предложена феноменологическая модель, описывающая формирование наноструктур при бомбардировке поверхности кластерными ионами. Будут протестированы функциональные характеристики наноструктурированных прототипов полупроводниковых материалов, такие как локальный плазмонный резонанс и/или др. Все ожидаемые результаты являются значимыми в направлении создания новых или усовершенствования функциональных характеристик актуальных полупроводниковых материалов и, несомненно, будут соответствовать мировому уровню. Ожидаемые результаты востребованы в производстве приборов и устройств наноэлектроники, нанофотоники, наносенсорики и в других областях, т.к. являются фундаментальной основой для развития новых технологий.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Впервые осуществлено наноструктурирование поверхности германия наклонным ионно-кластерным пучком аргона. При угле падения 60˚ пучка кластерных ионов аргона с кинетической энергией 10 кэВ и средним размером кластеров 1000 атомов/кластер на поверхности монокристаллического Ge получены упорядоченные волнообразные (ripple-like) структуры с волновым вектором, параллельным направлению ионного пучка (parallel-mode patterns). Амплитуда полученных наноструктур регулируется в диапазоне от 15 до почти 100 нм, а период – от 180 до 400 нм при увеличении дозы ионов от 8×10^14 до 2×10^16 кластерных ионов/см^2. Для диагностики топографии поверхности применялась атомно-силовая микроскопия (АСМ) с размерами областей сканирования от 2×2 до 100×100 мкм^2. При анализе использовались функции спектральной плотности мощности (СПМ) шероховатости, быстрого преобразования Фурье, автокорреляционные функции. Литературные данные свидетельствуют, что использование традиционного пучка ионов аргона не позволяет сформировать на поверхности Ge упорядоченные наноструктуры с высокой амплитудой. Установлено, что бомбардировка Ge наклонным ионно-кластерным пучком аргона обеспечивает очень высокую эффективность формирования наноструктур. В частности, при дозах ~ 1×10^15 кластерных ионов/см^2 амплитуда формируемых наноструктур близка к глубине распыления поверхности. При наноструктурировании поверхности полупроводников традиционными ионными пучками необходимо удалять (распылять) материал на глубину сотни нанометров, что очевидно не всегда возможно. Проведенное прямое сравнение наноструктур, формируемых ионно-кластерным пучком аргона на поверхностях Ge и Si, показало, что в одинаковых условиях на поверхности кремния формируются наноструктуры с меньшим периодом, но с большей амплитудой. Впервые показано, что в одинаковых условиях коэффициенты распыления кластерными ионами поверхности Si меньше, чем Ge. С помощью спектральной эллипсометрии исследованы изменения оптических характеристик (показатель преломления, коэффициент поглощения) Si и Ge в результате наноструктурирования ионно-кластерным пучком аргона. Зафиксирована значительная анизотропия оптических свойств в зависимости от направления измерения спектров - параллельно или перпендикулярно направлению наноструктур. Результаты свидетельствуют о сохранении кристаллической структуры в подповерхностном слое материалов после ионно-кластерной обработки. Исследованы закономерности сглаживания шероховатой поверхности Ge при перпендикулярном падении ионно-кластерного пучка аргона в различных режимах. Установлено, что бомбардировка исходно шероховатой (Rq ~ 50 нм) поверхности германия кластерными ионами приводит к сглаживанию в ограниченном диапазоне латеральных размеров неровностей, как со стороны максимальных, так и со стороны минимальных размеров. Наибольшая эффективность сглаживания Ge достигается в высокоэнергетическом режиме обработки при удельной энергии кластеров E/N около 100 эВ/атом. Ранее нами было показано, что для более гладких поверхностей эффективное сглаживание происходит при низкоэнергетичном режиме при E/N~10 эВ/атом во всем диапазоне высоких частот шероховатости. Таким образом, характер процесса сглаживания грубой поверхности существенно отличается как от распыления исходных сверхгладких (исходная шероховатость Rq ≤ 1 нм), так и от менее шероховатых поверхностей (исходная Rq ~ 20 нм). Методами МД моделирования проведено исследование динамики столкновений кластеров аргона размером 923 атомов/кластер с поверхностью Ge при различных углах падения от 0 до 70 град. Определены коэффициенты распыления, обьем и глубина ударных кратеров, объем и толщина аморфизованного слоя материала при различных условиях. Установлено, что при нормальном падении на мишень и одинаковой кинетической энергии коэффициент распыления Ge кластером Ar923 сопоставим с коэффициентом распыления атомарных ионов Ar+. В то же время малая удельная энергия кластеров E/N обуславливает высокое удельное энерговыделение. Это в свою очередь приводит к перемещению большого количества приповерхностных атомов мишени уже при одном ударе. Наклонные углы падения приводят к преимущественному перемещению по направлению падения кластерного иона, что и способствует эффективному формированию наноструктур при больших дозах. Обнаружено, что в одинаковых условиях обьем ударного кратера и поврежденного слоя в Ge выше, чем в Si, несмотря на то что масса атомов Ge в 2,6 раза больше при одинаковом строении кристаллической решетки.

 

Публикации

1. Николаев И.В., Коробейщиков Н.Г., Лапега А.В. Effect of Cluster Ion Bombardment on the Roughly Polished Surface of Single-Crystal Germanium Wafers Moscow University Physics Bulletin, 79(3) (год публикации - 2024)

2. Николаев И.В., Коробейщиков Н.Г., Лапега А.В., Топаков Д.В. Чесноков Д.В., Усубалиев Н.А. Сглаживание шлифованной поверхности монокристаллического германия ионно-кластерным пучком аргона Лазерные, плазменные исследования и технологии ЛаПлаз-2024. Сборник научных трудов X Международной конференции, 275 (год публикации - 2024)

3. Николаев И.В., Лапега А.В., Коробейщиков Н.Г. Взаимодействие кластерных ионов аргона с поверхностью кремния и германия под углом 60° Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства : Материалы 14-й Международной научно-технической конференции, 113 (год публикации - 2024)