Комплексная установка «Физика, химия и механика кристаллов и тонких плёнок»
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.
УНУ функционирует в федеральном государственном бюджетном учреждении науки "Институт Проблем Машиноведения РАН" (ИПМаш РАН)
Руководитель УНУ: Заслуженный деятель науки РФ, д.ф.-м.н., проф., С.А. Кукушкин
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.
Азотная станция, вырабатывающая азот высокой чистоты (99.99%) необходимый для работы ультрафиолетового эллипсометра
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 250нм и вертикальным до 900нм. 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.
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 мм, 30 мм и 30 мм в трех основных направлениях.
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 (370-1000nm) 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.
Атомно-силовой микроскоп EasyScan (AFM system) позволяет сканировать рельеф поверхности образцов с высотой неровности до 100 мкм. Микроскоп сканирует площадь до 100 мкм 2 с разрешением 1 нм, 1 нм, 1 нм в трех основных направлениях. Максимальные размеры исследуемых образцов 47 мм, 12 мм и 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 пм, 7,6 пм, 3,1 пм в трех основных направлениях. Исследуемые образцы могут иметь размер до 10 мм в диаметре и толщину до 3мм.
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.
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 3Д-карты поверхности с латеральным разрешением порядка 1 мкм.
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 вольтамперные диаграммы до 30В. Оптические фильтры позволяют освещать образец светом в регулируемом диапазоне длин волн 300 – 800 нм, а также выделять отдельные узкие гармоники.
Реактор для роста больших пластин карбида кремния размером до 6 дюймов при заранее заданных с помощью компьютера условиях.
Автоматизированный реактор, позволяющий выращивать пластины карбида кремния на кремнии размером до 1.5 дюймов с компьютерным управлением. Разработан и построен коллективом ИПМаш РАН.
