Оборудование НОЦ "Нанотех"
НОЦ «Нанотех» Новосибирского государственного университета размещен на двух площадках, которые используют рабочие площади НГУ. Основная доля оборудования НОЦ сосредоточена в лабораториях, которые размещены в здании технологического направления Аналитико-технологического инновационного центра «Высокие технологии и новые материалы». В качестве примера этой части НОЦ отметимм следующие лаборатории:
• Лаборатория пучковых и плазменных технологий. В составе оборудования этой лаборатории многоцелевой экспериментальный имплантер, и установка для нанесения алмазоподобных и нанокомпозитных покрытий.
Рис.1. Многоцелевой имплантер ионов кислорода и водорода.
Многоцелевой имплантер ионов кислорода и водорода предназначен для обеспечения базовых операций полупроводниковых технологий и радиационного материаловедения: технологии кремний-на-изоляторе, исследования воздействия интенсивных ионных пучков на металлические мишени – приемники пучков в источниках нейтронов и гамма-квантов для медицины, систем безопасности и для термоядерного материаловедения. Имплантер (см. Рис. 1) позволяет проводить эксперименты с пучком ионов энергией до 150 кэВ и током на мишени до 2 мА. Пучок ионов Н+ (O+, С+) формируется из плазмы ЭЦР источника с помощью четырех-электродной ионно-оптической системы с напряжением ускорения до 40 кВ. Ток пучка может достигать 2 мА в непрерывном режиме работы. При этом плотность тока может варьироваться в пределах 2-5 мА/см2. Доускорение ионов до требуемой энергии (от 40 до 150 кэВ) осуществляется ускорительной секцией. В рабочем объеме достигается вакуум до 10-4 Па. Облучение мишени 76х76 мм2 проводится с помощью развертки ионного пучка по ее поверхности.
Установка для нанесения алмазоподобных и нанокомпозитных покрытий обеспечивает нанесение высококачественных многослойных композитных слоев с минимальной толщиной 1-1000 нм и точностью нанесения на уровне 0.1 нм. Нанесение многослойных покрытий путем испарения и распыления веществ и материалов в вакуумных условиях служит одной из ключевых технологий для создания специальных и многослойных покрытий с целью придания уникальных свойств создаваемым изделиям
Рис.2. Установка для нанесения алмазоподобных и нанокомпозитных покрытий.
• Лаборатория микро- и нано- структурирования, лазерных и лазерно-плазменных нанотехнологий включает довольно широкий список оборудования: лазерный генератор микроизображений, установка для снятия гальванических реплик, установка для проявления и сушки пластин, термопресс для литья дифракционных и микрооптических элементов, физо-интерферометр с оптическим столом на виброизолирующих опорах, автоматизированный микроскоп-интерферометр, сканирующий профилометр на базе конфокального датчика, сканирующий нанотвердомер Супер"Наноскан", оптический микроскоп "Optam Zoom 70XL", пьезокерамический зонд с предустановленным алмазным индикатором и датчиком, пикосекундная лазерная система.
Рис.3. Оборудование Лаборатории микро- и нано- структурирования, лазерных и лазерно-плазменных нанотехнологий.
Оборудование лаборатории позволяет реализовывать следующие процессы:
• прецизионные измерения формы сферических и асферических поверхностей;
• измерение микрорельефа изделий с помощью оптических профилометров;
• измерение твердости материалов и покрытий в при поверхностных слоях ;
• изготовление рентгеношаблонов микронного класса точности;
• изготовление дифракционных элементов.
• Лаборатория многослойных структур. Комплекс оборудования лаборатории многослойных структур включает установку для плазмохимического травления кремния, установку совмещения и экспонирования, центрифугу для нанесения и сушки резиста, микроскоп контроля качества, шкафы химические. Лаборатория представляет собой участок плазмохимических технологий и фотолитографии, предназначенный для образования студентов, также как и для создания микро- и наноструктур. В сочетании с возможностями других лабораторий НОК и инфраструктурой, имеющейся в Институте физики полупроводников, она способна проводить разработки современных и новых элементов в области широкоформатной, сенсорной и силовой электроники, что демонстрируется уже достигнутыми результатами.
Рис.4. Установки плазмохимического осаждения и травления предназначены для осуществления плазмохимического осаждения тонких пленок кремния, оксида и нитрида кремния при температурах 50-300С в реакторе индукционного типа с высокой однородностью по площади (150мм).
Рис. 5. Установка совмещения и экспонирования предназначена для осуществления фотолитографического процесса методом контактной литографии.
В главном корпусе НГУ сосредоточена меньшая доля из оборудования НОЦ «НАнотех». Здесь размещены три лаборатории НОЦ.
• Лаборатория плазмохимических технологий. Комплект оборудования лаборатории плазмохимических технологий включает экспериментальный стенд плазмохимический, газовый хроматомасс-спектрометр GCMS-QP2010NC Plus, генератор жидкого азота LNP-20, низкотемпературную печь с системой охлаждения для калориметра, газовый анализатор Hiden Analitical QIC-20, комплект оборудования подготовки газовых смесей, комплект оборудования для диагностики пламен.
Рис. 6. Экспериментальный плазмохимический стенд.
• Лаборатория микроволновых химических технологий. Комплекс оборудования этой лаборатории включает микроволновую систему для автоматизированного последовательного синтеза Explorer 48, микроволновую проточную систему для синтеза Voyager Stop Flow, систему микроволновой пробоподготовки MARS XPREES, систему Discover S-Class для решения задач эффективного химического синтеза.
Система микроволновой пробоподготовки (СМП) MARS XPREES — система с контролем температуры (до 260 оС) по инфракрасному излучению и без контроля давления в автоклавах. Рабочее давление используемых автоклавов – до 25 атм. СМП «MARS XPREES» предназначена для экстракции, минерализации, растворения, гидролиза или выпаривания широкого спектра материалов в лабораторных условиях с целью быстрой подготовки проб к измерениям спектрометрическими, хроматографическими и другими аналитическими методами.
Система «Discover S-Class» предназначена для решения задач эффективного химического синтеза и обеспечивает полный контроль давления и температуры в ходе проведения исследований. В ее состав входят 10 и 35 мл виалки (мини-реакторы) для работы при повышенном, до 20 атм., давлении. Дополнительным преимуществом является возможность использования стандартных химических емкостей (реакторов) объемом до 125 мл. Микроволновая система «Discover S-Class» может быть успешно использована для проведения процессов гомогенного и гетерогенного синтеза в органической и неорганической химии. Наличие в комплекте оборудования низкотемпературной приставки «Cool Mate» обеспечивает уникальную возможность исследования процессов микроволнового воздействия при температурах до – 80 оС с использованием специального температурного датчика внутри исследуемой реакционной системы.
Рис. 7. Оборудование для микроволновых воздействий. Верхний ряд фото – гиротронный комплекс и станция резонаторного СВЧ-нагрева с мощным магнетроном, нижний ряд - система микроволновой пробоподготовки (СМП) MARS XPREES и система «Discover S-Class».
• Лаборатория мощных микроволновых воздействий включает в состав оборудования специализированный гиротронный комплекс, резонаторный реактор с мощным магнетроном и спектрометр терагерцового диапазона.
Система микроволнового нагрева на базе гиротрона (24 ГГц, 6 кВт) предназначена для обработки материалов излучением с частотой 24 ГГц (длина волны 12,5 мм) и регулируемой мощностью 0–6 кВт. Конструкция аппликатора позволяет воздействовать на образцы сфокусированным волновым пучком (Æ ≈ 2 см), а также создавать однородное распределение мощности излучения в объеме для равномерного нагрева относительно крупных образцов. Температура образца в условиях теплоизоляции может достигать 2000°C и выше. Режим обработки задается в виде произвольной зависимости температуры образца от времени. Мощность излучения регулируется автоматически для поддержания заданного режима. Температура регистрируется с помощью различных термопар (до 4-х одновременно).
Станция резонаторного СВЧ нагрева на базе магнетрона (2,45 ГГц, 6 кВт) предназначена для обработки материалов излучением с частотой 2,45 ГГц (длина волны 125 мм) и регулируемой мощностью 0,5–6 кВт. Высокая эффективность обеспечивается использованием высокодобротного перестраиваемого резонатора для значительного увеличения плотности энергии СВЧ излучения в объеме аппликатора. Это позволяет проводить обработку материалов, характеризующихся низким уровнем поглощения микроволнового излучения (tgd ~10-4). Станция позволяет осуществлять нагрев образцов до температуры 1500° C. Температура измеряется бесконтактно с помощью двух пирометров в диапазонах -40..1000 °C и 600..1600 °C
Электронный сканирующий микроскоп JCM-5700 с энергодисперсионной приставкой предназначен для визуализации неровностей на поверхности твердотельных образцов, включая атомарный состав локальных участков.
Рис. 8. Электронный сканирующий микроскоп JCM-5700 с энергодисперсионной приставкой.
Примером использования этого микроскопа служит изображение кратера, возникшего на поверхности вольфрамового образца при его облучении потоком плазмы, нагреваемой мощным пучком релятивистских электронов. Это изображение представлено на Рис. 9. Результат этих исследований состояния облученной поверхности материалов принципиально важен для создания диверторов термоядерных реакторов.
Рис. 9 ― Изображение ударного кратера на поверхности облученного вольфрама.
На закупку этого микроскопа университет израсходовал значительную сумму (7 500 000 рублей), и эти расходы можно считать в полной мере оправданными, поскольку электронный сканирующий микроскоп JCM-5700 с энергодисперсионной приставкой открыл широкие возможности работы по анализу образцов, получаемых в различных технологических процессах.
В дополнение к столь значительной закупке 2012 года прибора для расширения возможностей НОЦ по электронной микроскопии были дополнительно приобретены различные приставки и маломасштабное оборудование: электронно-лучевой испаритель, установка автоматическая для заточки зондов, мешалка магнитная с подогревом RH, центрифуга настольная CR2000, насос вакуумный мембранный KNF, толщиномер. Суммарные затраты на приобретение этого маломасштабного оборудования составили кого около 1 500 000 рублей.