eng
Выпуск #2/2015
Н.Герасименко, Д.Смирнов, А.Турьянский
Новые рентгеновские измерительные системы с микрофокусными источниками для диагностики твердотельных микро- и наноструктур
Новые рентгеновские измерительные системы с микрофокусными источниками для диагностики твердотельных микро- и наноструктур
Просмотры: 4973
В статье обобщен опыт развития рентгеновских исследовательских систем на базе двухволновой схемы проведения измерений для анализа твердотельных микро- и наноструктур. Особое внимание уделено использованию рентгеновских систем для исследования многослойных тонкопленочных структур наноэлектроники, а также описанию перспектив использования нового поколения портативных микрофокусных рентгеновских источников с анодными алмазными подложками.
DOI:10.22184/1993-8578.2015.56.2.58.69
DOI:10.22184/1993-8578.2015.56.2.58.69
Теги: import substitution multilayer nanostructures x-ray measurement systems x-ray methods of analysis импортозамещение : комплекс рентгеновских измерительных систем многослойные наноструктуры рентгеновские методы исследования
Задача импортозамещения включает взаимосвязанные вопросы создания высокотехнологичных средств контроля, которые соответствуют требованиям современного производства к безопасности, оперативности проведения измерений, минимальной стоимости эксплуатации, доступности высококлассных специалистов, а также организации эффективного взаимодействия производственного персонала с коллективами разработчиков для решения возникающих проблем.
Особо следует подчеркнуть тот факт, что в рамках созданного рабочего сообщества организуется многосторонняя обратная связь, благодаря объединению усилий фундаментальной и прикладной науки, высших учебных заведений, промышленных предприятий. Такую синергию следует активно использовать для получения конкурентных преимуществ перед зарубежными компаниями в рамках политики импортозамещения.
Методы рентгеновского анализа для отечественной микроэлектронной промышленности апробировались в "НИИМЭ и "Микрон", кластере НИУ МИЭТ и на других предприятиях Зеленоградского научно-производственного комплекса. С учетом полученного опыта разработаны программы развития рентгеновских методов анализа на базе отечественного оборудования, что отвечает не только решению задач импортозамещения, но и обеспечивает принципиально новые возможности для рентгеновской диагностики в области прецизионных исследований, в частности, в твердотельной нанотехнологии. Предварительные работы в указанных направлениях и их результаты также дали возможность сформулировать новые подходы к метрологическому обеспечению микро- и наноэлектроники, массовому использованию рентгеновских методов контроля в других высокотехнологических направлениях, таких как реакторное материаловедение, космическая техника и добыча полезных ископаемых.
Рассмотрим уникальные особенности и перспективы развития и коммерциализации разработанных рентгеновских измерительных систем, а также обсудим комплексный подход к неразрушающей диагностике твердотельных нанообъектов и структур [1].
Принципы построения новой рентгеновской аналитической системы
Взаимодействие с ведущими профильными предприятиями позволило разработать комплексный подход к пооперационному и финишному контролю процессов микроэлектронного производства. Следует отметить, что эти разработки нашли положительный отклик у специалистов предприятий, в том числе "НИИМЭ и "Микрон". Выбор комплексного подхода к организации контрольных измерений связан с тем, что на практике технология наноэлектроники сталкивается со многими трудностями на стадии освоения новых процессов: формируются неучтенные дополнительные подслои в изготавливаемых структурах, изменяются параметры нижележащих функциональных слоев в ходе многостадийного технологического процесса.
Для преодоления указанных трудностей разработана рентгеновская аналитическая система CompleXRay [2]. В эту систему изначально закладывались возможности модернизации с учетом требований эксплуатирующих организаций. В первую очередь, следует отметить обеспечение радиационной безопасности. Система комплектуется маломощной рентгеновской трубкой и не требует радиационной регистрации и учета. Оборудование разработано по модульному принципу и предназначено для комплексных исследований широкого класса объектов, включая кристаллы, поликристаллы и аморфные среды, наноразмерные структуры. Благодаря инновационной рентгенооптической схеме обеспечиваются уникальные возможности при исследовании тонких пленок, многослойных наноструктур и границ раздела. Модульность и универсальность конструкции позволяют проводить измерения удаленно, что может быть использовано для организации дистанционного обучения и при исследовании опасных материалов [3].
Рентгеновская измерительная система реализует наиболее полное сочетание аналитических методов на единой платформе. При этом благодаря использованию острофокусного источника и сменных монохроматоров достигаются рекордные характеристики по угловому разрешению и точности малоугловых измерений. Запатентованная метрологическая схема, основанная на параллельной регистрации данных на нескольких длинах волн, позволяет значительно повысить точность рентгеновских измерений [4, 5].
На метрологической платформе рентгеновского комплекса впервые реализован режим относительных измерений путем определения отношения сигналов на двух и более выбранных спектральных линиях (рис.1). Это исключает аппаратные ошибки и позволяет проводить корректные измерения при близких к нулю углах рассеяния. Могут быть установлены различные типы фильтров и монохроматоров, в том числе монохроматор из монокристаллического алмаза, который позволяет работать с поляризованным излучением.
В используемой схеме селекции спектральных линий образец облучается характеристическим и тормозным излучением с максимальной энергией рентгеновских квантов до 40 кэВ, что обеспечивает возможность определения элементного состава по спектрам рентгеновской флуоресценции. При этом спектрометрические измерения могут проводиться как в статическом положении, так и при угловом или линейном сканировании для получения дополнительной информации о распределении состава по площади и глубине образца.
При рентгеновских измерениях наиболее важным параметром источника является размер фокуса. В рентгеновском комплексе установлен острофокусный излучатель с проекцией фокуса 20 мкм (опционально – 10 мкм). Это позволяет получать рекордно высокое угловое разрешение и впервые использовать на практике метод рентгеновской рефрактометрии при исследовании слоистых наноструктур. Для увеличения интенсивности рентгеновских пучков может эффективно применяться рефракционная и зеркальная фокусирующая оптика. Кроме того, возможности оборудования позволяют прецизионно измерять качество используемой оптики. Исследования характеристик многослойных периодических рентгеновских зеркал выполнялись совместно с Институтом физики микроструктур РАН.
Измерение многослойных тонкопленочных наноструктур
Разработанный комплексный подход к измерению многослойных тонкопленочных наноструктур прежде всего обеспечивает получение однозначных и достоверных результатов благодаря использованию взаимодополняющих методов исследования, базирующихся на различных физических принципах и позволяющих разрешить возникающие неоднозначности при решении обратных задач. В настоящее время проведение полного технологического цикла изготовления наноэлектронных приборов, в особенности при переходе к проектным нормам около или менее 90 нм, требует решения проблем измерения параметров изготавливаемых структур. Трудности обусловлены как недостаточной информативностью отдельных стандартных методик и неоднозначностью моделей, так и неверными предположениями о структуре и составе создаваемых объектов.
Используемый в измерительной системе метод рентгеновской рефлектометрии считается стандартным для исследования многослойных тонкопленочных структур, однако анализ только зеркальной составляющей рентгеновского отражения не позволяет разделить вклад в рефлектограмму от градиента плотности материала слоев и от шероховатостей и неоднородностей границ раздела. В связи с этим, наряду с методом относительной рефлектометрии, в комплекс методов были включены рентгеновская рефрактометрия и диффузное рассеяние рентгеновского излучения (рис.2).
Использование острофокусного источника позволяет исследовать рефракцию рентгеновского излучения в тонкопленочных структурах, напрямую рассчитать показатель его преломления и, следовательно, получить информацию о распределении плотности материала. Для уточнения параметров шероховатостей границ раздела используется метод диффузного рассеяния рентгеновского излучения. Все это позволяет разрешить неоднозначности типа "плотность-шероховатость" при решении обратных задач и получить однозначные результаты измерений размерных параметров твердотельных многослойных наноструктур.
Особое внимание также уделено корректности решения обратных задач. Проводится регуляризация (сглаживание и т.д.) экспериментальных данных с тем, чтобы уменьшить погрешность при работе с отношением сигналов на двух длинах волн. Затем для поиска глобального экстремума функционала невязки при подгонке теоретической и экспериментальных кривых применяются хорошо зарекомендовавшие себя стохастические алгоритмы: генетический алгоритм и алгоритм "пчел" [6].
Для повышения производительности используется параллельная обработка экспериментальных данных на графических процессорах [7]. Данная технология позволяет сократить время расчета на два порядка и, таким образом, использовать рентгенооптические методы непосредственно для контроля роста многослойных структур в ходе технологического процесса.
На рис.3–6 приведены результаты комплексного анализа тонкопленочных структур, полученных при технологическом процессе с проектными нормами 180 нм: диффузионно-барьерные слои TiN (5 нм) / Ti (10 нм) / SiO2 (15 нм) / Si; пленки пористых low-k-диэлектриков SiCN (90 нм) / SiOC (180 нм) / Si [8]. Решались задачи по идентификации и расчету параметров неучтенных слоев, формирующихся при протекании технологических процессов, выполнена корректировка данных контрольных измерений (спектральная эллипсометрия и др.). Для подтверждения результатов рефлектометрии использовались данные просвечивающей электронной микроскопии.
Метод двухволновой рентгеновской рефлектометрии высокоэффективен при исследовании слабовозмущенных (по плотности) слоистых структур, в частности, полученных ионной имплантацией [9]. На рис.7–8 представлены рефлектограммы кремниевых подложек, имплантированных ионами фтора. Вместо экспоненциально ниспадающей стандартной кривой рефлектометрии (рис.7) на относительной рефлектограмме (рис.8) получена удобная для математической обработки слабоизменяющаяся функция с выраженными экстремумами в области углов зеркального отражения 2θ<1°, для которой можно наблюдать радикальное проявление контраста интенсивности полезного сигнала.
Конкурентные преимущества
Представленная концепция обеспечивает конкурентные преимущества на рынке исследовательского научного оборудования. Ее отличает, в первую очередь, универсальность и простота конструкции, обеспечивающие высокую безопасность, ремонтопригодность, легкость модернизации, низкие себестоимость и стоимость эксплуатации. Взаимосвязанный комплекс методов для конкретных измерительных задач твердотельной технологии обуславливает достоверность и однозначность полученных результатов. Кроме того, обеспечена возможность оперативной обработки экспериментальных данных для контроля хода технологического процесса.
Следует особо отметить использование для данных систем нового поколения микрофокусных портативных источников. Специалистами Физического института РАН им. П.Н.Лебедева с участием "МЭЛЗ" и "Ангстрем" разработан микрофокусный рентгеновский генератор нового поколения XRS COMPÅCT (рис.9), который объединяет целый ряд инновационных решений, обеспечивающих рекордные характеристики, надежность и широкую сферу применения. Микрофокусный рентгеновский генератор – автономный моноблок, содержащий миниатюрную рентгеновскую трубку и высоковольтный модуль. Благодаря уникальной двухступенчатой системе электростатической фокусировки и встроенной схеме управления высоким напряжением достигается размер фокуса не более 30 мкм. Запатентованная конструкция анодного блока с прозрачной подложкой из монокристаллического алмаза обеспечивает одновременную генерацию потоков рентгеновского и оптического излучений. Это позволяет визуализировать рентгеновский пучок, что значительно повышает безопасность работы с источником и облегчает юстировку измерительной схемы. Применение прозрачной алмазной анодной подложки также обеспечивает максимальную яркость рентгеновского фокуса.
Высокая стабильность положения и малый размер фокусного пятна дают возможность эффективно использовать фокусирующую рентгеновскую оптику, включая изогнутые рентгеновские зеркала и поликапиллярные линзы. Применение микрофокусного источника с зеркальной параболической оптикой позволяет формировать параксиальные монохроматические рентгеновские пучки с расходимостью ~1 мрад и интенсивностью более 107 фотон/с.
В конструкции компактного источника (рис.10) применяется воздушная система охлаждения и анод трансмиссионного типа. Анод представляет собой оптически активированную алмазную подложку с нанесенной металлической пленкой, в которой возбуждается рентгеновское излучение. Система позволяет проводить рентгеноструктурные измерения кристаллов и поликристаллов и создавать настольные и мобильные модели дифрактометров, рефлектометров и элементных анализаторов, встроенных, в том числе, в производственное оборудование для контроля роста формируемых структур в реальном времени. Высокая яркость рентгеновского источника может быть использована в процессах глубокой литографии и гальванопластики (LIGA), востребованных для создания МЭМС.
Перспективы импортозамещения
Вместо заключения отметим, что решение проблемы импортозамещения применительно к рентгеновскому оборудованию нами рассматривается в нескольких направлениях.
Обеспечение высокотехнологичных производств эффективными системами неразрушающей рентгеновской диагностики требует расширения взаимодействия между научными, производственными и учебными организациями для решения технических задач, внедрения новых разработок в производство и подготовки высококвалифицированных специалистов. Только комплекс этих факторов позволит в короткие сроки обеспечить необходимый уровень интеграции для реализации заявленных целей.
По отдельным важным направлениям уже получены значимые результаты. К ним можно отнести создание и развитие новых рентгеновских систем на базе двухволновой схемы измерений и компактных микрофокусных рентгеновских источников нового поколения с алмазными анодными подложками. Для данных систем с учетом требований реального высокотехнологичного производства разработан комплекс взаимодополняющих методов исследования, а также аппаратно-программный комплекс для удаленной организации измерений и экспрессной обработки полученных результатов, что является принципиальным для анализа опасных материалов, в том числе топливных элементов атомных станций.
Представленные в данной статье разработки и предложения подробно обсуждались на круглом столе "Новое поколение микрофокусных рентгеновских источников для неразрушающего контроля и многофункциональные системы рентгеновской диагностики", организованном Физическим институтом РАН им. П.Н.Лебедева в рамках XIV Международной выставки "Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности" (17–19 февраля 2015 года, Москва). Особый отклик получили предложения об организации производств и развитии указанных рентгеновских систем посредством различных форм взаимодействия в рамках БРИКС и ШОС.
Литература
1.Герасименко Н.Н., Рыгалин Б.Н., Смирнов Д.И., Турьянский А.Г. Рентгеновские методы исследования наноструктур и нанообъектов электроники. – Нанотехнологии в электронике. Вып. 2 / Под ред. Ю.А. Чаплыгина. – М.: Техносфера, 2013. 688 с. : Гл. 6. С. 227–264.
2.Турьянский А.Г., Анисимов В.И., Бейлин Н.Д., Герасименко Н.Н., Гижа С.С., Капустянов В.Е., Пиршин И.В., Сенков В.М., Смирнов Д.И. Аналитическая система "COMPLEXRAY" для рентгеновской диагностики наноструктур. – Нанотехника. 2012. № 4. С. 7–12.
3.Герасименко Н.Н, Турьянский А.Г, Cherner Ya.E., Медетов Н.А., Смирнов Д.И. Организация удаленного массового доступа к уникальному оборудованию, сопряженному с виртуальной обучающей системой. – Вестник Челябинского государственного педагогического университета. 2013. № 2. С. 44–51.
4.Touryanski A.G., Vinogradov A.V., Pirshin I.V. X-ray reflectometer. USA Patent No. 6041098, US Cl. 378–70 (2000).
5.Турьянский А.Г., Герасименко Н.Н., Пиршин И.В., Сенков В.М. Многофункциональный рентгеновский рефлектометр исследования наноструктур. – Наноиндустрия. 2009. № 5(17). С. 40–43.
6.Kartashov D.A., Medetov N.A., Smirnov D.I., and Orlov R.S. Effect of the preliminary transformation of experimental data on the accuracy of results of processing X-ray reflectograms. – Russian Microelectronics. 2012. Vol. 41. № 7. P. 437–442.
7.Карташов Д.А., Медетов Н.А., Смирнов Д.И., Орлов Р.С., Иващенко О.В. Повышение эффективности вычислений результатов двухволновой рентгеновской рефлектометрии многослойных структур при использовании графических процессоров и технологии CUDA. – Электронный журнал "Труды МАИ". 2010. Вып. 40. С. 15. URL: http://www.mai.ru/science/trudy.
8.Смирнов Д.И., Гиниятуллин Р.М., Зюльков И.Ю., Медетов Н.А., Герасименко Н.Н. Проблемы измерения параметров элементов и структур современной микро- и наноэлектроники на примере диффузионно-барьерных структур TiN/Ti. – Письма в ЖТФ. 2013. Т. 39. № 14. C. 34–42.
9.Герасименко Н.Н., Апрелов С.А., Тарасенков А.Н., Калинин С.В., Турьянский А.Г., Пиршин И.В. Рентгеновская рефлектометрия кремния, имплантированного фтором. – Известия вузов. Электроника. 2007. № 3.
С. 70–72.
Особо следует подчеркнуть тот факт, что в рамках созданного рабочего сообщества организуется многосторонняя обратная связь, благодаря объединению усилий фундаментальной и прикладной науки, высших учебных заведений, промышленных предприятий. Такую синергию следует активно использовать для получения конкурентных преимуществ перед зарубежными компаниями в рамках политики импортозамещения.
Методы рентгеновского анализа для отечественной микроэлектронной промышленности апробировались в "НИИМЭ и "Микрон", кластере НИУ МИЭТ и на других предприятиях Зеленоградского научно-производственного комплекса. С учетом полученного опыта разработаны программы развития рентгеновских методов анализа на базе отечественного оборудования, что отвечает не только решению задач импортозамещения, но и обеспечивает принципиально новые возможности для рентгеновской диагностики в области прецизионных исследований, в частности, в твердотельной нанотехнологии. Предварительные работы в указанных направлениях и их результаты также дали возможность сформулировать новые подходы к метрологическому обеспечению микро- и наноэлектроники, массовому использованию рентгеновских методов контроля в других высокотехнологических направлениях, таких как реакторное материаловедение, космическая техника и добыча полезных ископаемых.
Рассмотрим уникальные особенности и перспективы развития и коммерциализации разработанных рентгеновских измерительных систем, а также обсудим комплексный подход к неразрушающей диагностике твердотельных нанообъектов и структур [1].
Принципы построения новой рентгеновской аналитической системы
Взаимодействие с ведущими профильными предприятиями позволило разработать комплексный подход к пооперационному и финишному контролю процессов микроэлектронного производства. Следует отметить, что эти разработки нашли положительный отклик у специалистов предприятий, в том числе "НИИМЭ и "Микрон". Выбор комплексного подхода к организации контрольных измерений связан с тем, что на практике технология наноэлектроники сталкивается со многими трудностями на стадии освоения новых процессов: формируются неучтенные дополнительные подслои в изготавливаемых структурах, изменяются параметры нижележащих функциональных слоев в ходе многостадийного технологического процесса.
Для преодоления указанных трудностей разработана рентгеновская аналитическая система CompleXRay [2]. В эту систему изначально закладывались возможности модернизации с учетом требований эксплуатирующих организаций. В первую очередь, следует отметить обеспечение радиационной безопасности. Система комплектуется маломощной рентгеновской трубкой и не требует радиационной регистрации и учета. Оборудование разработано по модульному принципу и предназначено для комплексных исследований широкого класса объектов, включая кристаллы, поликристаллы и аморфные среды, наноразмерные структуры. Благодаря инновационной рентгенооптической схеме обеспечиваются уникальные возможности при исследовании тонких пленок, многослойных наноструктур и границ раздела. Модульность и универсальность конструкции позволяют проводить измерения удаленно, что может быть использовано для организации дистанционного обучения и при исследовании опасных материалов [3].
Рентгеновская измерительная система реализует наиболее полное сочетание аналитических методов на единой платформе. При этом благодаря использованию острофокусного источника и сменных монохроматоров достигаются рекордные характеристики по угловому разрешению и точности малоугловых измерений. Запатентованная метрологическая схема, основанная на параллельной регистрации данных на нескольких длинах волн, позволяет значительно повысить точность рентгеновских измерений [4, 5].
На метрологической платформе рентгеновского комплекса впервые реализован режим относительных измерений путем определения отношения сигналов на двух и более выбранных спектральных линиях (рис.1). Это исключает аппаратные ошибки и позволяет проводить корректные измерения при близких к нулю углах рассеяния. Могут быть установлены различные типы фильтров и монохроматоров, в том числе монохроматор из монокристаллического алмаза, который позволяет работать с поляризованным излучением.
В используемой схеме селекции спектральных линий образец облучается характеристическим и тормозным излучением с максимальной энергией рентгеновских квантов до 40 кэВ, что обеспечивает возможность определения элементного состава по спектрам рентгеновской флуоресценции. При этом спектрометрические измерения могут проводиться как в статическом положении, так и при угловом или линейном сканировании для получения дополнительной информации о распределении состава по площади и глубине образца.
При рентгеновских измерениях наиболее важным параметром источника является размер фокуса. В рентгеновском комплексе установлен острофокусный излучатель с проекцией фокуса 20 мкм (опционально – 10 мкм). Это позволяет получать рекордно высокое угловое разрешение и впервые использовать на практике метод рентгеновской рефрактометрии при исследовании слоистых наноструктур. Для увеличения интенсивности рентгеновских пучков может эффективно применяться рефракционная и зеркальная фокусирующая оптика. Кроме того, возможности оборудования позволяют прецизионно измерять качество используемой оптики. Исследования характеристик многослойных периодических рентгеновских зеркал выполнялись совместно с Институтом физики микроструктур РАН.
Измерение многослойных тонкопленочных наноструктур
Разработанный комплексный подход к измерению многослойных тонкопленочных наноструктур прежде всего обеспечивает получение однозначных и достоверных результатов благодаря использованию взаимодополняющих методов исследования, базирующихся на различных физических принципах и позволяющих разрешить возникающие неоднозначности при решении обратных задач. В настоящее время проведение полного технологического цикла изготовления наноэлектронных приборов, в особенности при переходе к проектным нормам около или менее 90 нм, требует решения проблем измерения параметров изготавливаемых структур. Трудности обусловлены как недостаточной информативностью отдельных стандартных методик и неоднозначностью моделей, так и неверными предположениями о структуре и составе создаваемых объектов.
Используемый в измерительной системе метод рентгеновской рефлектометрии считается стандартным для исследования многослойных тонкопленочных структур, однако анализ только зеркальной составляющей рентгеновского отражения не позволяет разделить вклад в рефлектограмму от градиента плотности материала слоев и от шероховатостей и неоднородностей границ раздела. В связи с этим, наряду с методом относительной рефлектометрии, в комплекс методов были включены рентгеновская рефрактометрия и диффузное рассеяние рентгеновского излучения (рис.2).
Использование острофокусного источника позволяет исследовать рефракцию рентгеновского излучения в тонкопленочных структурах, напрямую рассчитать показатель его преломления и, следовательно, получить информацию о распределении плотности материала. Для уточнения параметров шероховатостей границ раздела используется метод диффузного рассеяния рентгеновского излучения. Все это позволяет разрешить неоднозначности типа "плотность-шероховатость" при решении обратных задач и получить однозначные результаты измерений размерных параметров твердотельных многослойных наноструктур.
Особое внимание также уделено корректности решения обратных задач. Проводится регуляризация (сглаживание и т.д.) экспериментальных данных с тем, чтобы уменьшить погрешность при работе с отношением сигналов на двух длинах волн. Затем для поиска глобального экстремума функционала невязки при подгонке теоретической и экспериментальных кривых применяются хорошо зарекомендовавшие себя стохастические алгоритмы: генетический алгоритм и алгоритм "пчел" [6].
Для повышения производительности используется параллельная обработка экспериментальных данных на графических процессорах [7]. Данная технология позволяет сократить время расчета на два порядка и, таким образом, использовать рентгенооптические методы непосредственно для контроля роста многослойных структур в ходе технологического процесса.
На рис.3–6 приведены результаты комплексного анализа тонкопленочных структур, полученных при технологическом процессе с проектными нормами 180 нм: диффузионно-барьерные слои TiN (5 нм) / Ti (10 нм) / SiO2 (15 нм) / Si; пленки пористых low-k-диэлектриков SiCN (90 нм) / SiOC (180 нм) / Si [8]. Решались задачи по идентификации и расчету параметров неучтенных слоев, формирующихся при протекании технологических процессов, выполнена корректировка данных контрольных измерений (спектральная эллипсометрия и др.). Для подтверждения результатов рефлектометрии использовались данные просвечивающей электронной микроскопии.
Метод двухволновой рентгеновской рефлектометрии высокоэффективен при исследовании слабовозмущенных (по плотности) слоистых структур, в частности, полученных ионной имплантацией [9]. На рис.7–8 представлены рефлектограммы кремниевых подложек, имплантированных ионами фтора. Вместо экспоненциально ниспадающей стандартной кривой рефлектометрии (рис.7) на относительной рефлектограмме (рис.8) получена удобная для математической обработки слабоизменяющаяся функция с выраженными экстремумами в области углов зеркального отражения 2θ<1°, для которой можно наблюдать радикальное проявление контраста интенсивности полезного сигнала.
Конкурентные преимущества
Представленная концепция обеспечивает конкурентные преимущества на рынке исследовательского научного оборудования. Ее отличает, в первую очередь, универсальность и простота конструкции, обеспечивающие высокую безопасность, ремонтопригодность, легкость модернизации, низкие себестоимость и стоимость эксплуатации. Взаимосвязанный комплекс методов для конкретных измерительных задач твердотельной технологии обуславливает достоверность и однозначность полученных результатов. Кроме того, обеспечена возможность оперативной обработки экспериментальных данных для контроля хода технологического процесса.
Следует особо отметить использование для данных систем нового поколения микрофокусных портативных источников. Специалистами Физического института РАН им. П.Н.Лебедева с участием "МЭЛЗ" и "Ангстрем" разработан микрофокусный рентгеновский генератор нового поколения XRS COMPÅCT (рис.9), который объединяет целый ряд инновационных решений, обеспечивающих рекордные характеристики, надежность и широкую сферу применения. Микрофокусный рентгеновский генератор – автономный моноблок, содержащий миниатюрную рентгеновскую трубку и высоковольтный модуль. Благодаря уникальной двухступенчатой системе электростатической фокусировки и встроенной схеме управления высоким напряжением достигается размер фокуса не более 30 мкм. Запатентованная конструкция анодного блока с прозрачной подложкой из монокристаллического алмаза обеспечивает одновременную генерацию потоков рентгеновского и оптического излучений. Это позволяет визуализировать рентгеновский пучок, что значительно повышает безопасность работы с источником и облегчает юстировку измерительной схемы. Применение прозрачной алмазной анодной подложки также обеспечивает максимальную яркость рентгеновского фокуса.
Высокая стабильность положения и малый размер фокусного пятна дают возможность эффективно использовать фокусирующую рентгеновскую оптику, включая изогнутые рентгеновские зеркала и поликапиллярные линзы. Применение микрофокусного источника с зеркальной параболической оптикой позволяет формировать параксиальные монохроматические рентгеновские пучки с расходимостью ~1 мрад и интенсивностью более 107 фотон/с.
В конструкции компактного источника (рис.10) применяется воздушная система охлаждения и анод трансмиссионного типа. Анод представляет собой оптически активированную алмазную подложку с нанесенной металлической пленкой, в которой возбуждается рентгеновское излучение. Система позволяет проводить рентгеноструктурные измерения кристаллов и поликристаллов и создавать настольные и мобильные модели дифрактометров, рефлектометров и элементных анализаторов, встроенных, в том числе, в производственное оборудование для контроля роста формируемых структур в реальном времени. Высокая яркость рентгеновского источника может быть использована в процессах глубокой литографии и гальванопластики (LIGA), востребованных для создания МЭМС.
Перспективы импортозамещения
Вместо заключения отметим, что решение проблемы импортозамещения применительно к рентгеновскому оборудованию нами рассматривается в нескольких направлениях.
Обеспечение высокотехнологичных производств эффективными системами неразрушающей рентгеновской диагностики требует расширения взаимодействия между научными, производственными и учебными организациями для решения технических задач, внедрения новых разработок в производство и подготовки высококвалифицированных специалистов. Только комплекс этих факторов позволит в короткие сроки обеспечить необходимый уровень интеграции для реализации заявленных целей.
По отдельным важным направлениям уже получены значимые результаты. К ним можно отнести создание и развитие новых рентгеновских систем на базе двухволновой схемы измерений и компактных микрофокусных рентгеновских источников нового поколения с алмазными анодными подложками. Для данных систем с учетом требований реального высокотехнологичного производства разработан комплекс взаимодополняющих методов исследования, а также аппаратно-программный комплекс для удаленной организации измерений и экспрессной обработки полученных результатов, что является принципиальным для анализа опасных материалов, в том числе топливных элементов атомных станций.
Представленные в данной статье разработки и предложения подробно обсуждались на круглом столе "Новое поколение микрофокусных рентгеновских источников для неразрушающего контроля и многофункциональные системы рентгеновской диагностики", организованном Физическим институтом РАН им. П.Н.Лебедева в рамках XIV Международной выставки "Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности" (17–19 февраля 2015 года, Москва). Особый отклик получили предложения об организации производств и развитии указанных рентгеновских систем посредством различных форм взаимодействия в рамках БРИКС и ШОС.
Литература
1.Герасименко Н.Н., Рыгалин Б.Н., Смирнов Д.И., Турьянский А.Г. Рентгеновские методы исследования наноструктур и нанообъектов электроники. – Нанотехнологии в электронике. Вып. 2 / Под ред. Ю.А. Чаплыгина. – М.: Техносфера, 2013. 688 с. : Гл. 6. С. 227–264.
2.Турьянский А.Г., Анисимов В.И., Бейлин Н.Д., Герасименко Н.Н., Гижа С.С., Капустянов В.Е., Пиршин И.В., Сенков В.М., Смирнов Д.И. Аналитическая система "COMPLEXRAY" для рентгеновской диагностики наноструктур. – Нанотехника. 2012. № 4. С. 7–12.
3.Герасименко Н.Н, Турьянский А.Г, Cherner Ya.E., Медетов Н.А., Смирнов Д.И. Организация удаленного массового доступа к уникальному оборудованию, сопряженному с виртуальной обучающей системой. – Вестник Челябинского государственного педагогического университета. 2013. № 2. С. 44–51.
4.Touryanski A.G., Vinogradov A.V., Pirshin I.V. X-ray reflectometer. USA Patent No. 6041098, US Cl. 378–70 (2000).
5.Турьянский А.Г., Герасименко Н.Н., Пиршин И.В., Сенков В.М. Многофункциональный рентгеновский рефлектометр исследования наноструктур. – Наноиндустрия. 2009. № 5(17). С. 40–43.
6.Kartashov D.A., Medetov N.A., Smirnov D.I., and Orlov R.S. Effect of the preliminary transformation of experimental data on the accuracy of results of processing X-ray reflectograms. – Russian Microelectronics. 2012. Vol. 41. № 7. P. 437–442.
7.Карташов Д.А., Медетов Н.А., Смирнов Д.И., Орлов Р.С., Иващенко О.В. Повышение эффективности вычислений результатов двухволновой рентгеновской рефлектометрии многослойных структур при использовании графических процессоров и технологии CUDA. – Электронный журнал "Труды МАИ". 2010. Вып. 40. С. 15. URL: http://www.mai.ru/science/trudy.
8.Смирнов Д.И., Гиниятуллин Р.М., Зюльков И.Ю., Медетов Н.А., Герасименко Н.Н. Проблемы измерения параметров элементов и структур современной микро- и наноэлектроники на примере диффузионно-барьерных структур TiN/Ti. – Письма в ЖТФ. 2013. Т. 39. № 14. C. 34–42.
9.Герасименко Н.Н., Апрелов С.А., Тарасенков А.Н., Калинин С.В., Турьянский А.Г., Пиршин И.В. Рентгеновская рефлектометрия кремния, имплантированного фтором. – Известия вузов. Электроника. 2007. № 3.
С. 70–72.
Отзывы читателей
