Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Докладчик: Каргин Николай Иванович

Должность: И.о. проректора , И.О. первого заместителя директора Института функциональной ядерной электроники НИЯУ МИФИ

Цель проекта:
Разработка лабораторной технологии планаризации поверхности материалов, применяемых в оптоэлектронике (кварцевое стекло, сапфир), до уровня шероховатости поверхности кварцевого стекла после обработки – не более 0,3 нм (до обработки более 1,2 нм) и сапфира – не более 0,2 нм (до обработки более 1,5 нм) методами ионно-кластерных пучковых технологий для разработки нового поколения приборов и устройств в различных отраслях промышленности.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Краткое описание основных результатов
В ходе выполнения ПНИ должны быть получены следующие научно-технические результаты:
- Программа моделирования процесса образования кластеров при прохождении газов в вакууме через сверхзвуковое сопло.
- Эскизная конструкторская документация на лабораторный стенд для получения планаризованных материалов для оптоэлектроники (кварцевое стекло, сапфир).
- Лабораторный стенд для получения планаризованных материалов.
- Программа моделирования процесса образования кластеров при прохождении газов в вакууме через сверхзвуковое сопло.
- Экспериментальные образцы планаризованных материалов.
- Лабораторный технологический регламент планаризации ускоренными ионно-кластерными пучками поверхности материалов.
- Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.
- Проект технического задания на проведение ОТР по теме: «Разработка промышленной технологии планаризации поверхности диэлектрических материалов (сапфир, кварцевое стекло)».
2. Основные характеристики планируемых результатов
Разрабатываемая лабораторная технология планаризации ускоренными ионно-кластерными пучками поверхности материалов для оптоэлектроники должна обеспечивать обработку кварцевого стекла и сапфира до шероховатости поверхности:
- кварцевого стекла после обработки – не более 0,3 нм (при шероховатости до обработки более 1,2 нм);
- сапфира – не более 0,2 нм (при шероховатости до обработки более 1,5 нм).
Лабораторный стенд для получения планаризованных материалов должен обеспечить проведение всего комплекса работ ПНИ по получению экспериментальных образцов планаризованных материалов с заданными характеристиками.
3. Оценка элементов новизны научных (технологических) решений:
Разрабатываемая технология обеспечит планаризацию до атомного уровня шероховатости поверхности сверхтвердых материалов (алмаза, сапфира, корунда и т.п.), недостижимую известными технологиями. В настоящее время в России технологии планаризации поверхности материалов ионно-кластерными пучками отсутствуют. Полученные в рамках ПНИ результаты явятся основой для создания принципиально новых технологий сверхтонкой полировки поверхности твердых тел для применения в различных отраслях промышленности.
4. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень:
Разработка технологий базирующихся на процессах взаимодействия пучков кластерных ионов с поверхностью твердых тел является актуальным и высоко рейтинговым направлением развития критических инновационных технологий мирового уровня. При этом разработка междисциплинарных технологий получения сверхгладких поверхностей с помощью пучков кластерных ионов , является одним из самых быстро развивающихся направлений. Сегодня число работ в области взаимодействия кластерных ионных пучков с различными типами поверхностей и разработанных на этой основе технологий исчисляется сотнями и количество их лавинообразно нарастает. Хотя технологические работы в этом направлении носят закрытый характер, известно, что они активно ведутся в США, Японии, Корее, Германии, Великобритании (Intel, IBM, JSR Micro, Samsung, Hitachi, Toshiba, Tokyo Electron, Applied Materials). С другой стороны, накопление научного задела активно осуществляется в формирующемся международном консорциуме, включающим Аргонскую и Ливерморскую национальные лаборатория США, MTI, Purdue University, University of Wisconsin, University of Houston (США), University of Kioto, University of Hyogo (Япония), Korea Institute of Science and Technology, University of Duisburg-Essen (Германия), Imperial College (Великобритания) и другие. Этот консорциум не только разрабатывает новейшие научно-технические и научно-технологические комплексы, но и формирует стратегию программ научных исследований, а также совместные научно-образовательные программы. Все это говорит о высокой востребованности и чрезвычайной актуальности данной тематики.
5. Пути и способы достижения заявленных результатов:
Для достижения цели проекта предлагается решить следующие научно-технические задачи:
- Разработать программу моделирования процессов образования и ускорения ионных кластерных пучков с целью формирования ионно-кластерного пучка с высокой долей крупных кластеров, предназначенных для планаризации поверхности твердых и сверхтвердых твердых тел.
- Провести компьютерное моделирование процесса образования кластеров при прохождении газов в вакууме через сверхзвуковое сопло.
- Провести расчет характеристик газов, адиабатически расширяемых в вакуум через сверхзвуковое сопло, необходимых для зарождения в нем кластеров.
- Провести расчет распределения кластеров по размеру, и определена взаимосвязь функции распределения кластеров по размеру с условиями расширения газа, формой, размерами сопла, давлением и температурой.
- Разработать и изготовить лабораторный стенды для планаризации диэлектрических материалов (сапфир, кварцевое стекло) пучками крупных газовых кластерных ионов.
В частности, должны быть разработаны и изготовлены следующие узлы:
- - источник нейтральных газовых кластеров со сверхзвуковым соплом для получения больших газовых кластеров,
- - скиммер и ионизатор для формирования и ионизации нейтрального кластерного пучка.
В ходе экспериментальных работ будут оптимизированы геометрии сопла и скиммера и определены как оптимальные параметры устройства формирования пучка больших кластерных ионов (геометрия сверхзвукового сопла, давление на входе и выходе сопла, геометрия скиммера), так и параметры взаимодействия кластерного пучка с поверхностью, приводящие к наиболее высокой степени планаризации: плотность и энергия пучка кластерных ионов, угол падения пучка и доза облучения. Все указанные технологические параметры будут определены для каждого материала, выбранного в качестве образца.
- Разработать методику изучения состава и топографию поверхности сапфира и кварцевого стекла после процесса планаризации
Известно, что состав поверхности многокомпонентного материала изменяется вследствие преимущественного (или селективного) распыления одного из составляющих материал элементов. При облучении атомарными ионами аргона из оксидов металлов и полупроводников, как правило, распыляется кислород, что приводит к обогащению поверхности мишени атомами металла или полупроводника. Наличие такого слоя на поверхности материала может оказывать существенное влияние на физико-химические свойства поверхности.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Описание областей применения планируемых результатов:
Разрабатываемая технология планаризации поверхности материалов найдет свое применение в следующих областях:
- оптоэлектроника для процесса планаризации как подложек оптоэлектроных приборов, так и поверхности слоев, наносимых по планарной технологии для получения высокоэффективных оптоэлектронных приборов нового поколения и повышения выхода годных приборов:
- оптика для сверхтонкой полировки линз;
- микроэлектроника для планаризации поверхности как полупроводниковых пластин, так и подложек литографических масок для бездефектной литографии сверхвысокого разрешения;
- радиолокация для сверхтонкой полировки зеркал для повышения разрешающей способности радиолокационных устройств;
- лазерная техника для сверхтонкой полировки поверхности кристаллов и увеличению излучающей мощности лазера и фокусировки его луча;
- точное приборостроение;
- астрономия и физика высоких энергий для полировки высокоэффективных зеркал фокусировки рентгеновского излучения;
- турбиностроение для полировки лопаток турбин для повышения их производительности;
- медицинская промышленность, в частности, изготовление протезов.
2. Описание практического внедрения планируемых результатов:
Для промышленного использования результатов проекта необходимо проведение ОКР и ОТР для каждого применения, но результаты проекта и соответствующий научно-технический задел позволят осуществить эти работы без необходимости проведения дорогостоящих исследований.
Потребителями ожидаемых результатов, в первую очередь, будут предприятия оптоэлектронной промышленности, а также корпорации и холдинги в областях электроники, лазерной и радиолокационной техники, точной механики, медицинской промышленности, разрабатывающие и выпускающие продукцию, содержащую элементы, требующие сверхгладких поверхностей для достижения высоких эксплуатационных параметров. Не говоря о высоком экспортном потенциале разрабатываемых технологий для получения таких поверхностей, их потребителями могут быть ряд российских предприятий, таких как: ЗАО «Монокристалл» (г. Ставрополь), ОАО «ОКБ-Планета» (г. Великий Новгород), АУ «Технопарк-Мордовия» (г. Саранск), ОАО «Схема» (г. Ставрополь), ОАО «НПП «Исток» (г. Фрязино), ОАО «Научно-производственное предприятие «Восток» (г. Новосибирск), ОАО «Оптрон-Ставрополь» (г. Ставрополь), ОАО «Научно-производственное предприятие «Инжект» (г. Саратов), ОАО «УК «Объединенная двигателестроительнгая корпорация», (г. Москва), РКП ОАО «Композит» (г. Королёв), ОАО «Объединенная судостроительная корпорация» (г. Москва), Вятское машиностроительное предприятие «Лазерная техника и технологии» (г. Киров), предприятия АПК и др.
3. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений:
Реализация проекта обеспечит получение продуктов и технологий, которые по основным сопоставимым показателям будут превосходить существующие аналоги, в том числе, создание промышленной технологии планаризации материалов для оптики и оптоэлектроники. Разработка обсуждаемой технологии позволит российской электронной промышленность скачком перейти к новому технологическому укладу мирового уровня, преодолев скопившееся с 80-х годов отставание в этой области.

Текущие результаты проекта:
- Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, в том числе, обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты – не менее 15 научно-информационных источников за период 2009 – 2014 гг.
- Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
- Разработаны и исследованы варианты возможных решений задач ПНИ и выбран оптимальный вариант.
- Разработаны рекомендации 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.
- Разработана программа моделирования процесса образования кластеров при прохождении газов в вакууме через сверхзвуковое сопло;
- Проведен расчет характеристик газов, адиабатически расширяемых в вакууме через сверхзвуковое сопло, необходимых для зарождения в нем кластеров;
- Проведен расчет распределения кластеров по размеру, определена взаимосвязь функции распределения кластеров по размеру с условиями расширения газа, формой, размерами сопла, давлением и температурой.
- Проведены экспериментальные работы 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.
- Разработано техническое задание на проектирование узлов лабораторного стенда для получения планаризованных материалов: держателя сопла с системой подачи газов в вакуумную камеру, скиммера и ионизатора нейтрального кластерного пучка.
- Разработана эскизная конструкторская документация на лабораторный стенд для получения планаризованных материалов для оптоэлектроники (кварцевое стекло, сапфир).