Лаборатория физики плазмы
Если в корпусе нелинейной оптики подняться на лифте на четвертый этаж, повернуть направо и дойти до конца коридора, можно найти лабораторию физики плазмы. Чем в ней занимаются сотрудники, как делают электрические устройства с помощью плазмы, и как программирование связано с вакуумной камерой, читайте у нас в интервью!
Расскажите коротко о том, чем занимается лаборатория?
Совсем общими словами – мы изучаем неравновесную низкотемпературную газоразрядную плазму и её взаимодействие с поверхностью. К примеру, атомно-слоевые процессы травления и осаждения в такой плазме, которые сейчас представляют наибольший интерес в области плазменных технологий в микроэлектронике. Благодаря этим процессам точность создания многослойных микроструктур может достигать порядка размера одного атомного слоя!
При этом энергия активных частиц, ионов, активирующих эти процессы, должна быть очень небольшой, порядка энергии связи атомов, чтобы взаимодействие происходило только с одним слоем атомов поверхности, а нижележащие слои остались нетронутыми. Получить ионы настолько маленькой энергии в обычной, широко применяемой высокочастотной плазме невозможно в силу фундаментальных причин: минимальная энергия ионов, приходящих на поверхность, обусловлена так называемым плазменным потенциалом, который, в свою очередь, задается энергией электронов, необходимой для ионизации газа, то есть для существования самой плазмы. Поэтому необходимо придумывать хитрые рецепты для настройки атомно-слоевых процессов, а также использовать и модернизировать разнообразные плазменные источники и диагностики для их отладки.
Что важно знать о плазме?
Плазма бывает высокотемпературной (где температура инициирует высокоэнергичные процессы, например, рентгеновское излучение и термоядерные реакции) и низкотемпературной газоразрядной. Термоядерную плазму можно найти, например, в Солнце, а низкотемпературную – в лаборатории. Низкотемпературная газоразрядная плазма – это сильно неравновесная среда, где температура газа близка к комнатной, а температура электронов по человеческим меркам очень высокая: она может достигать 20 - 100 тысяч градусов Кельвина. Газоразрядная плазма представляет собой частично ионизированный газ. Степень ионизации, равная отношению числа электронов к числу нейтральных частиц плазмообразующего газа, составляет тысячные и миллионные доли. В термоядерной плазме, напротив, практически нет нейтральных частиц.
Одно из основных применений низкотемпературной плазмы - это различные процессы прецизионной обработки поверхности материалов, например, при создании электронных структур, очень малых размеров (в нм) в микроэлектронике.
Низкотемпературная высокочастотная плазма образуется следующим образом. К газу прикладывается высокочастотное электромагнитное поле, под действием которого осциллирующие электроны сталкиваются с нейтральными частицами газа и ионизируют их. Полезное свойство этой плазмы в том, что наряду с лёгкими энергичными электронами есть и тяжёлые заряженные частицы – ионы, которыми мы можем также управлять с помощью приложенного электромагнитного поля.
В чем заключаются процессы травления и осаждения?
Ионы в плазме — это заряженные частицы, и поэтому их можно направлять с помощью поля на поверхность материала, при этом регулируя их энергетический спектр. Цель бомбардировки ионами – стимулировать химические реакции на поверхности, чтобы удалить атомы с его поверхности или осадить их на поверхность из газовой фазы. Чтобы создать тем самым какой-либо элемент на поверхности, на поверхность заранее наносится маска из материала, инертного по отношению к действию ионов.
Подобные процессы травления и осаждения являются базовыми при создании микросхем (чипов) и электронных микроустройств (МЭМС).
Для создания чипов используется планарная технология. Планарная значит послойная: наносится слой материала, затем в него с помощью плазменного травления передается рисунок нужного слоя микросхемы. То же самое происходит со вторым, третьим и всеми последующими слоями, причем конфигурацию слоя можно менять. Так получаются многослойные структуры, содержащие в себе разные электронные компоненты. На сегодняшний день число слоев может достигать уже даже не десятков, а сотен.
Процессор – пример такого многослойного устройства. В его нижних слоях расположены различные электронные компоненты, такие как транзисторы, например, а верхние слои нужны для соединения этих компонентов между собой, чтобы обеспечить требуемую схему работы. Верхние слои – это слои диэлектрика, в которых проделаны тренчи (выемки), которые заполнены проводящим металлом. Получается электронная структура, которая содержит множество элементов. В процессоре и т.п. может быть уже порядка десятков миллиардов транзисторов, при этом размеры такого чипа могут составлять всего пару сантиметров в длину и ширину и менее миллиметра в толщину.
Эта установка выглядит красиво. Что здесь происходит?
Каждая установка в лаборатории – это газовый разряд или низкотемпературная плазма. Так как электроны плазмы имеют большую энергию, достаточную для ионизации и возбуждения излучающих состояний частиц газа – атомов и молекул, то плазма всегда излучает фотоны, причем в разной области спектра. Это зависит в первую очередь от сорта газа. В зависимости от используемого газа цвет разряда меняется – например, у криптона он коралловый, у неона ярко-оранжевый, у ксенона фиолетовый, и так далее. Но спектр фотонов также дает ценную информацию о процессах, происходящих в плазме и на поверхности. По спектру излучения плазмы и его изменению можно, например, определить концентрации активных нейтральных частиц, радикалов, которые участвуют в реакциях на поверхности.
А это для чего?
В лаборатории есть установки как для травления, так и напыления, и осаждения материалов. Мы используем высокочастотную (ВЧ) плазму, чтобы обрабатывать разные поверхности, включая и не проводящие – диэлектрики и полупроводники. Частота используемого электромагнитного поля достаточно высока – от нескольких единиц до десятков МГц. Образец (подложка) помещается на электрод.
Окна предназначены для исследований плазмы, хотя промышленные установки выглядят совершенно иначе – там почти нет окон. Это потому, что в производстве любая грязь внутри может существенно исказить результат, тем самым увеличить процент брака и повысить стоимость конечного продукта.
Ну а в исследовательском плазменном реакторе должно быть необходимое количество окон для различных диагностик.
ВЧ разряды различаются способом поддержания разряда. На предыдущей картинке над большим окном ВЧ-камеры сверху находится индукционная катушка. Когда по катушке протекает ВЧ ток, внутри вихревое электромагнитное поле проникает в камеру и создает плазму над электродом, который расположен внутри и где располагаются образцы. Такой разряд называется индукционным.
А на этой картинке представлена другая конфигурация разряда – это емкостной ВЧ разряд. Его конфигурация проще – 2 металлических электрода находятся на небольшом расстоянии друг от друга, между ними находится газ. Это напоминает большую емкость в электрическом смысле. К электродам приложено ВЧ поле, разгоняющее электроны в газе от одного электрода к другому. Так как исследовательская камера окружена многими диагностическими приборами, а ВЧ сигналы способны легко распространяться по поверхностям и искажать измерения, саму камеру пришлось окружить металлической ВЧ-экранирующей сеткой, чтобы снизить этот нежелательный эффект.
Что еще необычного в вашей лаборатории?
Все установки вакуумные, т. е. оснащены специальными насосами для откачки, датчиками давления, а также системами расходомеров для регулирования протока напускаемого газа. Помимо этого базового оснащения экспериментальной установки, нужно использовать множество разных диагностик, ведь «руками» что-то внутри вакуумной камеры потрогать не получится. Большое количество используемого оборудования и диагностических приборов требует автоматизации эксперимента – то есть комплекса программ для управления установкой, считывания экспериментальных данных, сохранения их в web-базе эксперимента и т. п. Так каждый прибор, каждый генератор имеет свой виртуальный аналог. В итоге удается быстро создавать эффективные программы исследований, в которых задействованы различные диагностики. Из одной программы мы можем открыть нужный клапан с газом, запустить разряд и нужные диагностики и получить результаты. Часть диагностик уникальные, сделанные нами самими. Для этого мы разрабатываем разные платы и контроллеры, переписываем интерфейсы и т. п. Мы управляем установкой через среду LabView. В этой среде программирования создаются виртуальные приборы и пишется автоматизация эксперимента. Чтобы лучше усвоить эту программу, рекомендуем подтянуть Python или C/C++.
Все эксперименты синхронизируются с общей web-базой данных, и можно наблюдать в реальном времени, как результаты заносятся туда. Можно в любой момент вернуться к проделанному эксперименту и, главное, с любого устройства, подключенного к интернету, даже со смартфона. К такой базе можно подключиться и удаленно, что тоже очень удобно, например, участвовать непосредственно в эксперименте, сидя в другой стране и в ванной.
Что еще вы хотите сказать студентам?
Прийти в лабораторию можно даже на первом курсе. Да, специальных знаний может первое время не хватать, но уже можно будет поработать руками, привыкнуть к задачам, установкам и диагностикам, дело всегда найдется. Можно также заниматься и моделированием экспериментов. Есть теоретическая группа.
Работа в лаборатории обогатит ваш набор навыков — будет много программирования, работы руками, решения возникающих проблем в эксперименте и т. п. Мы стремимся к тому, чтобы студенты становились самостоятельными, сами ставили и выполняли задачи.
С таким набором навыков можно пойти и в науку, и в отделы Research&Development крупных компаний. В лаборатории мы пишем статьи, которые публикуют журналы Q1, а еще сотрудничаем с высокотехнологичными компаниями — среди них НИИТМ и Микрон (Зеленоград), ASML (Нидерланды), IMEC (Бельгия), Samsung (Корея), Tokio Electron (CША), LPP Ecole Polytechnique (Франция), Huawei (Китай) и т.д.
О лаборатории рассказали:
к. ф.-м. н., заведующий лабораторией, Лопаев Дмитрий Викторович, d.lopaev@gmail.com
к. ф.-м. н., сотрудник лаборатории, Богданова Мария Андреевна, bogdanova.masha91@gmail.com,
аспирант, сотрудник лаборатории, Илья Ильнурович Зиганшин, ilyaziganshin@gmail.com, vk.com/ilya_pb