НШ «Создание физических основ нанесения метастабильных многослойных и нанокластерных пленочных структур, исследование их свойств»

Руководители:

С. В. Гапонов, академик, Н. Н. Салащенко, член-корр. РАН

Описание

Школа «Создание физических основ нанесения метастабильных многослойных и нанокластерных пленочных структур, исследование их свойств» начала формироваться со времени совместной работы руководителей в Институте Министерства электронной промышленности в 1968 году. В 70-е годы были выполнены пионерские работы по воздействию излучения импульсно-периодических лазеров на твердотельные мишени и продуктов лазерной эрозии на поверхности различных материалов.

1. Высоцкий В. З., Гапонов С. В., Куликова Н. П., Петровская М. П., Салащенко Н. Н. Прецизионная обработка фольги оптическим квантовым генератором. Электронная промышленность, 1972, вып.4, (10)
2. Высоцкий В. З., Гапонов С. В., Гарин Ф. В., Либаков-Ливанов В. В., Парамонов Л. В., Понтус Л. И., Савин В. А. Установка для проекционной обработки материалов излучением ОКГ. Электронная промышленность, 1974, вып.11, (35)
3. Бекетова З. П., Гапонов С. В., Каверин Б. С., Нестеров Б. А., Салащенко Н. Н. О возможности получения сверхтонких сплошных монокристаллических пленок с помощью лазера. Известия ВУЗов, «Радиофизика», N6 1975
4. Бекетова З. П., Гапонов С. В., Каверин Б. С., Нестеров Б. А., Салащенко Н. Н. Особенности роста пленок веществ испаренных излучением импульсных лазеров. Электронная техника, сер. Квантовая электроника, N1, 1975

В это время под руководством С. В.Гапонова и Н. Н.Салащенко начали работать многочисленные студенты, дипломники и аспиранты часть из которых потом ушли из тематики или уехали из страны, часть сохранили прежние занятия, но в других коллективах. Однако многие, став докторами и кандидатами, по-прежнему работают вместе с руководителями Школы. Естественно для работников электронной промышленности, после того как изучены основные закономерности взаимодействия потока эрозионной плазмы с веществом, заняться получением полупроводниковых структур и приборов.

Тогда был выполнен приоритетный цикл работ по получению и исследованию квантоворазмерных пленок и сверхрешеток, в том числе на новых вариантах полупроводниковых материалов.

1. Гапонов С. В., Лускин Б. М., Нестеров Б. А., Салащенко Н. Н. Низкотемпературная эпитаксия пленок конденсированных из лазерной плазмы. Письма в ЖТФ, т.3, вып.12, 1977
2. Гапонов С. В., Лускин Б. М., Нестеров Б. А., Салащенко Н. Н. Морфологические особенности и структура пленок, конденсированных из лазерной плазмы. ФТТ, вып.10, 1977
3. Гапонов С. В., Клюенков Е. Б., Нестеров Б. А., Салащенко Н. Н., Хейфец М. И. Лазерное напыление пленок в активной среде. Письма в ЖТФ, вып.13, 1977
4. Гапонов С. В., Лускин Б. М., Салащенко Н. Н. О возможности получения структур со сверхрешеткой методом лазерного напыления. Письма в ЖТФ, т.5, вып.9, 1979
5. Гапонов С. В., Лускин Б. М., Салащенко Н. Н. Сверхрешетки на основе InSb-CdTe, InSb- PbTe, Bi-CdTe. ФТП, N8, 1980

С течением времени становилось ясно, что метод лазерного напыления чрезвычайно удобен в исследовательских работах в силу высокой мобильности, но из-за его неравновесности сохраняются остаточные дефекты в полупроводниковых пленках и как следствие нельзя получить высокую подвижность носителей. В 1977 г. выходит работа А. В.Виноградова и Б. Я.Зельдовича, показывающая принципиальную возможность получать высокие коэффициенты отражения в мягкой области рентгеновского диапазона на многослойных структурах. Зная о наших работах, один из авторов (Б.Я.Зельдович) уговаривает заняться этим направлением. С тех пор и до настоящего времени эти работы занимают значительную часть деятельности участников школы.

В 1991 г. за работы по многослойной оптике руководителям и четырем сотрудникам школы была присуждена Государственная премия (А.Д.Ахсахалян, В. М.Генкин, Б. М.Лускин, Ю. Я.Платонов).

В настоящее время активность в этом направлении очень высока. На рис. 1 отражены диапазон длин волн, который освоен нами и области науки, в которых при нашем участии идут экспериментальные исследования.

Если самые большие длины волн диапазона поделить на самые короткие получится 3000. Для сравнения для всего видимого диапазона света эта цифра будет около 2.

Естественно, в таком широком диапазоне происходит и много природных явлений. Исследования большинства из них ведутся при активном участии Школы, роль которой широко известна и признана в мире.

Фундаментальные работы и развитие технологических методов в области тонкопленочных структур позволили сразу после открытия высокотемпературной сверхпроводимости уже в 1987 г. получить эпитаксиальные пленки YBa2Cu3O7-x с рекордными и до настоящего времени плотностями тока jk = 10- А/см². Эти достижения были высоко оценены Правительством и для дальнейшего развития направления в 1991 г. был закуплен в Финляндии лабораторный корпус 9000 кв. м и соответствующее научное и технологическое оборудование. В 1993 г. решением Президиума РАН был образован Институт физики микроструктур, которому было поручено вести исследования в направлениях сформированных в Школе. Это рентгеновская оптика, сверхпроводимость и физика наноструктур.

Результаты

За последние годы участниками Школы были получены следующие важнейшие результаты.

Экспериментально обнаружены коллективные эффекты дипольного взаимодействия в двумерных решетках ферромагнитных наночастиц с прямоугольной элементарной ячейкой. Коллективное поведение проявлялось в зависимости кривых намагничивания (T=4.2K) от ориентации внешнего магнитного поля относительно осей решетки. В частности, при ориентации поля вдоль малой стороны элементарной ячейки наблюдался гистерезис, характерный для мультистабильных систем.

1. С.А.Гусев, Л. А.Мазо, И. М.Нефедов и др. Коллективные эффекты в двумерных решетках ферромагнитных наночастиц, Письма ЖЭТФ, 68, 6, с. 475-479.

Предложен и разработан метод прямой неконтактной литографии магнитных наноструктур с размерами 50-200 нм. Метод основывается на обнаруженном авторами явлении ферромагнитного упорядочивания в сплавах 3d-металлов (Fe, Co) при локальном лазерном воздействии. Для формирования структур используются интерферирующие УФ пучки ультрафиолетового лазера. Сформированные массивы магнитных нанокластеров являются уникальной средой сверхплотной записи и хранения информации (>10 Гбит/cм²).

1. N.I. Polushkin, N. N. Salashchenko. Magnetic behavior modification of Fe/C composition-modulated films under short-pulse heat action. J. Magn.Magn.Mater. 124, 347 (1993).
2. Yu.Blyakhman, N. I. Polushkin, A. D. Akhsakhalyan, S. A. Gusev, N. N. Salashchenko, V. G. Semenov. Magnetic ordering in spinodally decomposing Fe-containing alloys synthesized from laser plasma. Phys. Rev.B, 52, 10303 (1995).
3. N.I. Polushkin, S. A. Gusev, M. N. Drozdov, Yu. K.Verevkin, V. N. Petryakov. Arrays of magnetic wires created in phase-separated Fe-containing alloys under laser interference irradiation. J. Appl.Phys., 81, 5478 (1997).
4. Ю.К.Веревкин, В. Н.Петряков, Н. И.Полушкин. Формирование магнитных наноразмерных решеток при облучении тонкопленочных смесей Fe-Cr интерферирующими лазерными пучками. Письма в ЖТФ, 24, №12, 13-20, 1998.
5. В.П.Бредихин, Ю. К.Веревкин, Э. Я.Дауме, C. П.Кузнецов, О. А.Мальшакова, В. Н.Петряков, Н. В.Востоков, Н. И.Полушкин. Когерентное воздействие на поверхность четырех пучков излучения Xe-Cl лазера. Квантовая электроника, 30, №4, 333-336, 2000.
6. M.Zheng, M. Yu, R. Skomski, S. H. Liou, D. J. Sellmyer, V. N. Petryakov, Yu. K.Verevkin, N. I. Polushkin, N. N. Salashchenko. Magnetic nanodot arrays produced by direct laser interference lithography, in press (Appl. Phys. Lett., 2000)

Рассчитана кривая намагничивания мезоскопических сверхпроводящих образцов квадратной формы во всем диапазоне изменения магнитного поля. Вычислена плотность состояний в многоквантовых вихрях и вихревых молекулах. Вычислена проводимость образца вдоль магнитного поля, определяемая как резонансным, так и нерезонансным туннелированием через электронные состояния в корах вихрей. Получаемая ступенчатая и/или осциллирующая зависимость проводимости от магнитного поля позволяет рассматривать мезоскопические сверхпроводники как квантовые переключатели, где роль управляющего напряжения играет магнитное поле.

1. Mel'nikov A. S. and V. M. Vinokur. Mesoscopic superconductor as a ballistic quantum switch. Nature (London), N415, p.60 (2002).
2. A.S. Mel'nikov and V. M. Vinokur, «Quasiparticle excitations in the mixed state of mesoscopic superconductors», American Physical Society March Meeting, Seattle, WA, March 23, 2001.
3. A.S. Mel'nikov, I. M. Nefedov, D. A. Ryzhov, I. A. Shereshevskii, V. M. Vinokur, P. P. Vysheslavtsev, «Ballistic transport via an Andreev wire», International Workshop on Advances in High-Temperature Superconductivity, Ramat-Gan, Israel, May 25, 2001.
4. A.S. Mel'nikov and V. M. Vinokur, «Quasiparticle excitations and ballistic transport in the mixed state of mesoscopic superconductors», «Nanoscale superconductivity and magnetism», Argonne National Laboratory, Nov. 2001.

Создана технология компенсации внутренних напряжений Mo/Si-многослойных зеркал, являющихся основой для оптических элементов схем проекционной литографии в диапазоне 13 нм, без уменьшения отражательной способности. Достигнуты величины напряжений " 5 МПа, что существенно ниже величины напряжений 420-450 МПа, характерных для Mo/Si структур. Применение компенсационных буферных слоев одновременно позволило реализовать технологию реставрации дорогостоящих асферических подложек для многослойных элементов.

1. S.S. Andreev, S. V. Gaponov, S. A. Gusev, E. B. Kluenkov, N. I. Polushkin, K. A. Prokhorov, N. N. Salashchenko, M. H. Haidl. Mo/Si Multilayers for 13 nm Spectral Region. // Thin Solid Films. 2002, 415/1-2, 123-132.
2. С.С. Андреев, С. В. Гапонов, С. А. Гусев, С. Ю. Зуев, Е. Б. Клюенков, К. А.Прохоров, Н. И. Полушкин, Е. Н. Садова, Н. Н. Салащенко, Л. А. Суслов, M. N. Haidl. Оптимизация технологии изготовления многослойных Mo/Si зеркал. // Поверхность №1, с. 66-73, 2001.
3. S.S. Andreev, N. N. Salashchenko, L. A. Suslov, A. N. Yablonsky and S. Yu. Zuev. Stress reduction of Mo/Si multilayer structures. // NIMA 2001, V. 470, Nos. 1+2, p. 162-167.

Создан специализированный лабораторный рефлектометр, предназначенный для изучения влияния продуктов эрозии в интенсивных источниках излучения на оптические элементы стендов проекционной литографии на длине волны 13.5 нм. Рефлектометр позволяет измерять изменения коэффициентов отражения многослойных зеркал на уровне менее 0.1%, что превышает обнаружительную способность, достигнутую к настоящему времени на синхротронных источниках излучения.

Рефлектометр состоит из источника излучения (разборная рентгеновская трубка), двухзеркального монохроматора-формирователя пучка, карусели, на котором устанавливаются исследуемые образцы (до 10 образцов), детектора, регистрирующего интенсивность отраженного излучения, и высоковакуумного безмасляного оборудования. Высокие геометрическая светосила (0.034 стеррадиан) и коэффициенты отражения многослойных Mo/Si зеркал (65-68%), позволили измерять изменения коэффициентов отражения зеркал на уровне 0.1%. Прибор позволяет производить локальные измерения коэффициентов отражения с пространственным разрешением 0.6 мм. Прибор полностью автоматизирован.

Прибор может быть использован и для ряда других научных и технологических задач, связанных с EUV литографией, например, встроен в технологическую цепочку для оперативной аттестации при производстве масок и других оптических элементов литографических установок. Высокая интенсивность излучения кремниевой мишени в окрестности 13.5 нм позволяет использовать этот прибор для исследования фоторезистов и калибровки детекторов. Спектральный диапазон данного прибора может быть расширен до λ = 3.14 нм, на которую существует технологическая возможность изготовления многослойных зеркал нормального падения. Разработанная в ходе изготовления прибора рентгеновская трубка существенно превышает по своим характеристикам существующие аналоги и может быть использована в других лабораториях при создании рентгеновских приборов, спектрометров, приборов для флуоресцентного анализа, калибровочной рентгеновской аппаратуры и т. д.

На данный момент изготовлено два таких прибора. Один прибор установлен в компании ASML (Нидерланды). Второй прибор изготовлен для российской компании НИИИС (г. Нижний Новгород). К настоящему времени прибор не запатентован.

1. S.S. Andreev, A. D. Akhsakhalyan, M. S. Bibishkin, N. I. Chkhalo, S. V. Gaponov, S. A. Gusev, E. B. Kluenkov, K. A. Prokhorov, N. N. Salashchenko, F. Schafers, S. Yu. Zuev. Multilayer optics for XUV spectral region: technology fabrication and applications // Central European Journal of Physics. CEJP 1 (2003). 191-209.
2. Бибишкин М. С., Забродин И. Г., Зуев С. Ю., Клюенков Е. Б., Салащенко Н. Н., Чехонадских Д. П., Чхало Н. И., Шмаенок Л. А. Рефлектометрия в мягком рентгеновском и экстремальном ультрафиолетовом диапазонах // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2003, №1, с. 70-77.
3. Бибишкин М. С., Забродин И. Г., Клюенков Е. Б., Салащенко Н. Н., Чехонадских Д. П., Чхало Н. И. Новая разборная трубка для мягкого рентгеновского излучения // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2003, №2, с. 41-45.
4. Shmaenok L. A., Salashchenko N. N., Chkhalo N. I., Zabrodin I. G., Zuev S. Yu., Kaskov I. A., Klyuenkov E. B., Sukhanov V. L., Zabrodsky V. V., Belik V. P. Multilayer based instrumentation developments for EUVL source metrology // Proceedings of International SEMATECH EUV Source Workshop. February 23. 2003. Santa Clara, California, USA.