Разработка позволит снизить стоимость и упростить процесс изучения сверхтонких материалов для микроэлектроники на предприятиях и в научных лабораториях.
Сегодня классическая кремниевая электроника подходит к пределу своих возможностей, в частности, по таким параметрам, как компактность, надежность и энергоэффективность. С одной стороны, ее несомненным плюсом является дешевизна компонентной базы, обусловленная отлаженными за десятилетия технологиями производства элементов на основе кремния. А с другой, для целого ряда высокотехнологичных отраслей экономики (космос, лазеры, газоанализаторы и проч.) требуются новые материалы, доступные методы их синтеза, изучения и применения.
«Мы разработали прототип зондовой установки, позволяющей изучать характеристики тонких материалов (пленок), которые могут найти применение в качестве компонентной базы для электроники нового типа. Предложенные нами решения, такие как использование “жидких” зондов, позволяет исследовать тонкие пленочные образцы материалов, не разрушая их по сравнению с прижимными контактами», – рассказывает доцент кафедры микро- и наноэлектроники (МНЭ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Никита Вадимович Пермяков.
Установка, разработанная учеными ЛЭТИ, может изучать вольт-амперные характеристики полупроводниковых материалов. Образцы располагаются на специальном столике, к которому подводятся зонды, сформированные перед измерением. Они в отличие от сканирующих зондовых микроскопов (являются аналогами предложенной системы, в которых реализуются возможность регулировки силы прижатия) выполнены не из твердого, а из жидкого металла (сплав индия с галлием). Такой зонд представляет собой шприц с металлической иглой (диаметр отверстия 400 микрон), сходный с теми, что используются в инсулиновых помпах.
В начале измерений из шприца выдавливается микроскопическая капля сплава индия с галлием, которой придается конусообразная форма. Благодаря своему агрегатному состоянию можно контролировать размер контактной области жидкого зонда и исследуемой пленки, чтобы ее не повредить (при этом давление на образец будет определяться поверхностным натяжением капли).
Сейчас действующий прототип располагает всего одним зондом. С его помощью исследователям ЛЭТИ удалось успешно провести измерения характеристик тонких пленок оксида цинка (ZnO) – полупроводника, который является перспективным материалом для электродов, компонентов для топливных элементов, а также лазерной техники. В перспективе для обеспечения наилучшей информативности при изучении образцов установка будет комплектоваться четырьмя зондами. Их точное перемещение в трехмерном пространстве производится с помощью станка с числовым программным управлением (ЧПУ). Результаты исследования опубликованы в научном журнале Technologies.
«Принцип действия нашей установки позволяет обеспечить точность измерений характеристик различных материалов на уровне значительно более дорогостоящего и сложного оборудования, например, сканирующего зондового микроскопа, который может позволить себе далеко не любая научная группа или предприятие», – отмечает Никита Вадимович Пермяков.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-20162, а также гранта Санкт-Петербургского научного фонда в соответствии с соглашением от «14» Апреля 2022 г. № 19/2022».
Установка является одним из примеров проектов, которые ведут ученые кафедры МНЭ в сфере разработки методов и оборудования для диагностики материалов для новых типов электроники. Так, ранее исследователи разработали автоматизированный способ диагностики многослойных материалов (наногетероструктур).
