Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Изучено виляния технологических параметров процесса коллоидной литографии методом Ленгмюра-Блоджетт. На основе полученных результатов определены оптимальные технологические параметры для сфер диаметром 1,8 мкм: соотношение массовых долей компонентов коллоидной суспензии (сферы/этиловый спирт/воды) 6/40/54%, объем коллоидной суспензии 200 мкл, поверхностное давление 38 мН/м, скорость сжатия монослоя до ГПУ 2 мм/мин, диапазон изменения скорости сжатия монослоя в процессе его переноса на пластину 1-3 мм/мин, скорость подъема пластины 2 мм/мин. При заданных технологических параметрах удалось сформировать монослой полистирольных сфер на поверхности кремниевой пластины диаметром 76 мм с площадью покрытия 99,5%, число границ составило 14%, а средняя площадь домена составила около 7000 мкм2. Продемонстрирован новый подход к изготовлению 3D коллоидных кристаллов на основе полистирольных сфер, демонстрирующих гексагональную плотноупакованную структуру и однородную толщину на большой площади. Данная техника заключается в сочетании двух методов коллоидной сборки – метода Ленгмюра-Блоджетт для создания первого слоя на пластине и метода центрифугирования для формирования последующих слоёв (за один процесс центрифугирования формируется один слой). Использование оригинальной автоматизированной системы Ленгмюра-Блоджетт позволило получить гексагональный плотноупакованный монослой на всей площади кремниевой пластины с диаметром 76 мм, при этом площадь бездефектного домена составила 3000 мкм2, для сфер диаметром 1,25 мкм. Было установлено, что высокая степень порядка и большая площадь домена в первом слое, чего не позволяет достичь метод центрифугирования, являются залогом успешного создания 3D упорядоченной структуры. Однако было выявлено, что использование метода Ленгмюра-Блоджетт для последовательного формирования последующих слоёв кристалла приводит к серьёзным нарушениям в трёхмерном упорядочении. А именно, сферы не занимают термодинамические выгодные для них позиции, соответствующие плотнейшей упаковке, а переносятся под действием внешней сжимающей силы, сохраняя упорядоченность только в плоскости слоя. Наоборот, последовательные процессы центрифугирования позволяют создавать слои, правильным образом ориентированные относительно нижележащего слоя. В результате были получены рекордные на сегодняшний день (беря во внимание кристаллы с контролируемой однородной толщиной на основе сфер с диаметром более 1 мкм) значения площади покрытия 76 мм пластины HCP структурой (97% для 1.25 мкм сфер и 96% для 1.8 мкм сфер) и площади бездефектного HCP домена (1100 мкм2 для 1.25 мкм сфер и 1600 мкм2 для 1.8 мкм сфер). В спектрах пропускания (нормальное падение луча) структур были обнаружены пики, соответствующие дифракции Брэгга от параллельных плоскостей (0001) HCP структуры и дифракции от 2D плоскости гексагонального массива. А именно, 3D коллоидный кристалл на основе полистирольных сфер с диаметром 1.25 мкм демонстрировал провалы в пропускании в диапазоне длин волн 2784-2810 нм и 1512-1543 нм, а на основе сфер с диаметром 1.8 мкм – при 3940-3950 и в диапазоне 2150-2169 нм. Полученные результаты говорят о том, что положения стоп-зон коллоидного кристалла можно настраивать путём изменения диаметра используемых сфер. Стоит отметить, что экспериментально полученные диапазоны длин волн, при которых семейство плоскостей (0001) кристалла ограничивает распространение света, отличались от теоретически рассчитанных значений не более, чем на 5% для двухслойных структур и не более, чем на 7% для трёхслойных структур, что подтверждает достаточно высокую степень трёхмерной упорядоченности структуры кристалла. Небольшое различие в экспериментально полученных длинах волн для структур с различным количеством слоёв связано с незначительным уменьшением средней площади бездефектного HCP домена при увеличении количества слоёв, что отражалось на эффективном показателе преломления структуры. Обнаруженные стоп-зоны не были глубокими, пропускающая способность уменьшалась не более чем на 20%, что связано с низкой разницей в диэлектрических проницаемостях полистирола и воздуха. Таким образом, разработанная технология может быть использована для формирования 3D коллоидных кристаллов с целью их потенциального использования в качестве шаблонов для создания бездефектной структуры обратного опала и созданию на его основе фотонного кристалла с перестраиваемой запрещённой зоной. Проведены систематические исследования процесса плазмохимического травления полистирольных сфер в плазме кислорода на установке с цилиндрическим источником ИСП. На основе полученных экспериментальных данных разработана технология прецизионного уменьшения сфер для формирования маскирующих покрытий с заданными размерами. При мощности источника ИСП 250 Вт, напряжении смещения 0 В, расходе кислорода 30 см3/мин, температуре подложкодержателя 1 °C и давлении 1,5 Па скорость травления сфер составляет порядка 30 нм/мин и изотропия травления 0,65. Таким образом, разработана технология формирования маскирующих покрытий из полистирольных сфер с заданной плотностью и размером элемента.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Изучено виляние технологических параметров плазмохимического травления кремния в смешанном (непрерывном) режиме травления при «комнатной» температуре подложкодержателя для формирования вертикально-ориентированных кремниевых структур в субмикронном диапазоне размеров. Для разработки технологии плазмохимического травления кремниевых вертикально ориентированных структур была применена Байесовская оптимизация (машинное обучение). В результате проведения оптимизации были сформированы структуры с аспектным отношением 4.4 при изотропии травления 0.033. Целевые значения были достигнуты алгоритмом за двенадцать итераций (против тридцати при полном факторном анализе). Достигнутое аспектное отношение превышает полученные ранее с помощью полного факторного анализа значения более чем в 1.5 раза (было 2.85, стало 4.4), при снижении изотропии травления более чем в 1.2 раза (было 0.04, стало 0.033). Для оценки качества модели была проанализирована динамика изменения гиперпараметров, которая показала, что в процессе оптимизации наблюдалось возрастание дисперсии сигнала (с ≈0.9 до ≈1.6) и масштаба длины (с ≈4 до ≈13.5) и снижение дисперсии шума (с ≈0.4 до ≈0.1) гауссовского процесса. Эти согласованные изменения свидетельствуют об адекватности модели и отсутствии признаков переобучения, так как в ходе оптимизации она была сосредоточена на объяснении реальных закономерностей в данных, а не на запоминании шумовых выбросов. С помощью разработанной технологии плазмохимического травления кремния были сформированы массивы вертикально ориентированных кремниевых структур в субмикронном диапазоне с высотой от 2.7 мкм до 10.1 мкм для изучения спектров пропускания в диапазоне длин волн от 1.3 до 25 мкм. Было установлено, что с ростом высоты от 2.7 до 6.3 мкм прозрачность монотонно снижалась с ~5% до ~2%, а дальнейшее увеличение высоты до 10.1 мкм приводило к менее значительному уменьшению пропускания (~0.5%). Кроме того, в спектральных характеристиках образцов с высотой 8.4 мкм и 10.1 мкм были обнаружены резонансные максимумы в диапазоне длин волн 2.4-3.6 мкм. Кроме того, использование Байесовской оптимизации продемонстрировало высокую эффективность для управления процессом коллоидной сборки с использованием полистирольных сфер с диаметрами 1,25 и 1,8 мкм. Применение функции приобретения UCB с весом 1 позволило найти оптимальные параметры всего за тринадцать итераций (включая две стартовые точки) для обоих размеров сфер. Разработанный подход позволил сформировать монослои с рекордными значениями площадей бездефектных ГПУ доменов: 16000 мкм2 для сфер 1,25 мкм и 23000 мкм2 для сфер 1,8 мкм. Фурье-анализ подтвердил отсутствие дефектов и наличие только одной ориентации кристаллической решетки на площадях вплоть до 38400 мкм2. С помощью коллоидной литографии методом Ленгмюра-Блоджетт, вакуумного магнетронного осаждения и плазмохимического травления в непрерывном режиме при «комнатной» температуре подложкодержателя сформированы высокоаспектные кремниевые канавки с размерами в субмикронном диапазоне и с аспектным отношением более 15. Для разработки технологии плазмохимического травления высокоаспектных структур использовалась Байесовская оптимизация. Исходная вероятностная модель целевой функции, являющейся суперпозицией четырех выходных характеристик (обратный от нормали угол наклона боковой стенки, подтрав, изотропия травления и аспектное отношение), была построена на основе двух стартовых точек. Целевые значения были достигнуты алгоритмом за двенадцать итераций На основе разработанной технологии формирования высокоаспектных кремниевых канавок и ранее полученных результатов по созданию вертикально ориентированных кремниевых столбиков были созданы массивы кремниевых монолитных трубок различной высоты без использования классического литографического оборудования с функцией совмещения. Максимальная высота столбика составила 5.5 мкм при глубине канавки 5.8 мкм и диаметре канавки 320 нм (АО канавки более 18). Данные структуры обладали средним коэффициентом отражения в диапазоне от 200 до 1600 нм на уровне 3.7%. Также было установлено, что увеличение высоты столбика с 1.6 мкм до 5.5 мкм приводит к снижению среднего значения коэффициента отражения с 17.6% до 3.7%. Кроме того, уменьшение глубины канавки с 5.5. мкм до 4.2 мкм (для структур с высотой столбика ~ 2.5 мкм) приводит к увеличению коэффициента полного отражения во всем рассматриваемом диапазоне длин волн с ~10.7% до ~15%. В свою очередь, уменьшение диаметра самого столбика с 1.35 мкм до 0.95 мкм при схожих геометрических характеристиках канавки (для структур с высотой столбика ~ 5.5 мкм) приводит к повышению коэффициента полного отражения только в УФ и видимом диапазонах, а в ИК-области отражение для структур разного диаметра остается на схожем среднем уровне (~9.3%). Было проведено сравнение оптических свойств сформированных трубчатых структур с работами других авторов и установлено, что в диапазоне длин волн от 200 до 1600 нм структуры, сформированные нами, имеют наименьший коэффициент отражения (~3.7%) при аспектном отношении столбиков менее 4.