Структурные и фазовые превращения в конденсированных средах

Лаборатория фазовых превращений обладает комплексом уникального научного оборудования (УНУ). В состав УНУ входит ультрафиолетовый эллипсометр J.A. Wollam VUV-VASE, требующий для своей работы атмосферу чистого азота. Этот эллипсометр имеет уникальные характеристики по определению качества, состава и политипа тонких плёнок и гетероструктур широкозонных полупроводников и является одним из нескольких экземпляров, действующих в Европе. Также в УНУ входят экспериментальные установки-реакторы для роста тонких плёнок методом замещения атомов, разработанные коллективом ИПМаш РАН. Приборы УНУ взаимодополняют друг друга, и в своей совокупности представляют единый комплекс для полной характеризации тонких плёнок, дающий возможность изучать за короткий промежуток времени: морфологию поверхности, толщины, механические свойства, электрические и электрооптические свойства, химический состав, структуру и кристаллическое совершенство.

Оборудование:

1. Ультрафиолетовый эллипсометр J.A. Woollam VUV-VASE

Входящий в состав УНУ ультрафиолетовый эллипсометр компании J.A. Woollam VUV-VASE® работает в диапазоне длин волн 146 – 1100 нм, что позволяет точно измерять оптические константы и толщины плёнок даже широкозонных полупроводников. Эллипсометр снабжен азотной станцией, поскольку требует для работы атмосферу чистейшего (99.99%) азота. Столь широкий спектральный диапазон позволяет получать полную информацию об оптических свойствах тонких плёнок и определять политип кристалла. Максимальный размер образца составляет 6см.

2. Азотная станция ПроВита

Азотная станция вырабатывает азот высокой чистоты (99.99%) для работы ультрафиолетового эллипсометра J.A. Woollam VUV-VASE.

3. Микрорамановский микроскоп Witec Alpha 300R

Микрорамановский конфокальный микроскоп Witec Alpha 300R является одним из лучших подобных приборов, существующих в мире, и обладает характеристиками, ограниченными лишь фундаментальными законами природы. Так, подвижный 3Д-пьезостол позволяет снимать рамановские спектры и строить 2D и 3D карты по ним с латеральным разрешением до 250 нм и вертикальным до 900 нм. Методика является неразрушающей и позволяет определить локальный состав, механические напряжения, а также кристаллическое качество образца. Длина волны возбуждающего лазера 532 нм. Максимальный размер образца – 2.5 × 2.5 × 1 см, весом до 100 грамм.

4. Наноиндентор NanoTest 600

Наноиндентор NanoTest 600 измеряет твердость, модуль упругости и деформационные характеристики твердых тел. Прибор имеет два механизма индентирования для разных нагрузок: наномаятник позволяет прикладывать нагрузку от 0.3 нН до 500 мН к геометрически аттестованной алмазной пирамиде Берковича и фиксировать глубину ее проникновения в исследуемый материал от 0.001 нм до 50 мкм; микромаятник может создавать нагрузку до 30 Н и фиксировать глубину проникновения до 50 мкм или более. Максимальные размеры исследуемых образцов 30 × 30 × 30 мм в трех основных направлениях.

5.Эллипсометр J.A. Woollam M-2000RCE

Основным применением эллипсометрии является характеризация толщины пленки и оптических констант. М-2000 является одним из лучших в своем классе. Этот прибор измеряет толщины пленкок от суб-нанометров до десятков микрон и оптических свойств от прозрачного до поглощающих материалов. С помощью этого инструмента можно охарактеризовать любые типы тонких пленок: диэлектрических, органических, полупроводниковых, металлических и др. Широкий спектральный диапазон (370–1000 нм) и переменный углом наклона позволяет использовать М-2000 для диагностики многослойных структур. Эллипсометр оснащен полностью автоматической системой съема данных и моторизованным предметным столом, что позволяет осуществлять 2D картирование образца, и судить как о качестве нанесённой плёнки, так и её однородности. Для исследований подходят даже крупные (до 6 дюймов) подложки.

6. Атомно-силовой и сканирующий туннельный микроскопы Nanosurf EasyScan

Атомно-силовой микроскоп EasyScan (AFM system) позволяет сканировать рельеф поверхности образцов с высотой неровности до 100 мкм. Микроскоп сканирует площадь до 100 мкм2 с разрешением 1 × 1 × 1 нм в трех основных направлениях. Максимальные размеры исследуемых образцов 47 × 12 × 8 мм в трех основных направлениях.

Сканирующий туннельный микроскоп EasyScan (STM system) способен регистрировать неровности на поверхности высотой до 500 нм. Микроскоп сканирует площадь до 500 нм2 с разрешением 7.6 × 7.6 × 3.1 пм в трех основных направлениях. Исследуемые образцы могут иметь размер до 10 мм в диаметре и толщину до 3 мм.

7. Измеритель упругих напряжений в тонких плёнках FLX-2320-S

Прибор измеряет радиус кривизны (от 2 м до 33 км) пластин диаметром до 200 мм по углу отражения сканирующего лазерного луча с минимальным шагом 0.02 мм (используются два твердотельных лазера GaAlAs с длинами волн 670 нм и 750 нм). Вращая пластину, можно получить интерполированную 3D картину её формы. При известных упругих константах и толщинах плёнок и подложки по формуле Stoney определяются механические напряжения в плёнках, вызывающие изгиб подложки. Толщины плёнок обычно измеряются эллипсометром, но могут быть найдены FLX-2320-S по зависимости кривизны пластины от температуры при известных коэффициентах теплового расширения. Прибор позволяет нагревать образцы до 500 °C и охлаждать жидким азотом до -65 °C. Разная скорость нагревания позволяет исследовать пластическую диффузионную релаксацию напряжений в зависимости от времени.

8. Оптический профилометр Zygo New View 6000

Zygo New View 6000 – оптический интерферометр (профилометр), является мощным инструментом для характеризации и количественного анализа шероховатости поверхности, высот ступенек, и других топографических особенностей поверхности образца с отличной точностью. Все измерения являются неразрушающим, быстрыми, и не требуют подготовки образца. Снимаемый профиль высот лежит в диапазоне от <1 нм до 200 мкм, и происходит за время порядка 10 секунд, независимо от текстуры поверхности, увеличении объектива или высоты рельефа. Прибор позволяет строить 3D-карты поверхности с латеральным разрешением порядка 1 мкм.

9. Стенд для изучения электрооптических свойств кристаллов и тонких плёнок

Стенд включает в себя оптический стол, снабженный системой фокусировки и имитатором дневного света, и позволяет измерять электрооптические свойства образцов. С помощью него можно фокусировать световое пятно диаметром 2 мм разной интенсивности на поверхность образца, измерять фототок и строить вольт-амперные диаграммы до 30 В. Оптические фильтры позволяют освещать образец светом в регулируемом диапазоне длин волн 300 – 800 нм, а также выделять отдельные узкие гармоники.

10. Промышленная печь Nabertherm для получения больших пластин карбида кремния на кремнии

Реактор для роста больших пластин карбида кремния размером до 6 дюймов при заранее заданных с помощью компьютера условиях.

11. Экспериментальный реактор для получения пластин карбида кремния на кремнии

Автоматизированный реактор, позволяющий выращивать пластины карбида кремния на кремнии размером до 1.5 дюймов с компьютерным управлением. Разработан и построен коллективом ИПМаш РАН.

• Предложен теоретически и реализован экспериментально принципиально новый метод осаждения карбида кремния на кремнии, который заключается в создании в структуре матрицы подложки, путем замещения основных атомов Si на дилатационные диполи. Создание дилатационных диполей привело к замене атомов матрицы кремния на атомы углерода с образованием молекул карбида кремния без возникновения упругих напряжений!
• На основе данного метода разработана абсолютно новая инновационная технология поучения гетероструктур на основе широкозонных полупроводников для микро и-оптоэлектроники на кремниевых подложках.
• Впервые в мировой практике на кремниевой подложке с буферным слоем нанокарбида кремния получена светодиодная структура. Впервые, во всяком случае, в России получен работающий макет светодиода на кремнии!
• Созданы научно—технологические основы для создания промышленного производства светодиодных гетероструктур на кремнии с наномасштабным буферным слоем карбида кремния. Решена одна из основных проблем современной микроэлектроники – разработаны фундаментальные и прикладные основы синтеза гетероструктур широкозонных полупроводников нитридов V группы на кремнии, на основе которых можно создавать широкий спектр приборов: от светодиодов, транзисторов и лазеров, до различного рода датчиков и других приборов микро-оптоэлектроники.
• Теоретически предсказан и экспериментально обнаружен новый тип связанных фазовых переходов первого рода при формировании многокомпонентных твердых фаз в твердых телах.

Образцы пленок карбида кремния на подложках Si диаметром 2, 3, 4 и 6 дюймов (150 мм)

--

Светодиоды на основе гетероструктур GaN/AlGaN/AlN, выращенных на кремниевой подложке с буферным слоем карбида кремния

• Разработка и внедрение метода роста плёнок карбида кремния на кремнии методом замещения атомов
• Исследование воздействия внешних полей на фазовые переходы
• Теория нуклеации