Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Создана установка для реактивного ионного травления (РИТ) полупроводниковых материалов на базе генератора плазмы высокочастотного емкостного разряда загрузочного шлюза AJA ORION 8. Проведено исследование РИТ синтетического алмаза в плазме на основе SF6 с целью утонения алмазных пластин. Исследована зависимость скорости травления алмаза в плазме SF6 от энергии ионов. Разработана методика утонения алмазных пластин при помощи РИТ в плазме SF6. Скорость съема алмазного материала составляет 50 нм/мин и сохраняется с точностью 6,5%. Изготовлены тонкие (менее 10 мкм) алмазные пластины тремя различными методами: утонение пластин IIa HPHT алмаза, отщепление и утонение пластин CVD алмаза, синтез поликристалла алмаза на кварцевом покрытии. Утонение пластин выполнялось при помощи РИТ алмаза с параметрами, определенными в ходе экспериментальных исследований. Исследованы характеристики тонких алмазных пластин, полученных тремя различными методами. Установлены основные особенности пластин, связанные с возможностью их использования при создании элементов интегральной оптики, в частности, проанализированы их геометрические параметры (плоскостность, морфология и шероховатость поверхности), дефектно-примесный состав (центры поглощения и люминесценции), механические напряжения. Разработаны лабораторные методики: - создания структур типа алмаз на диэлектрике (DoI); - создания алмазных волноводов и устройств ввода-вывода света; - создания тонких алмазных пластин; - исследований алмазных элементов интегральных оптических схем. Лабораторные методики устанавливают последовательность выполнения операций и содержат конкретные указания для их выполнения, в частности, параметры работы установок. Разработана численная модель распространения электромагнитных колебаний в субмикронных алмазных структурах. Модель предполагает решение уравнения Гельмгольца с помощью метода конечных элементов. Она позволяет находить собственные моды и рассчитывать S-параметры (пропускание, отражение) элементов интегральной оптики, в частности, субволновых размеров. Разработан алгоритм оптимизации критических параметров устройства ввода-вывода света для произвольной длины волны. Алгоритм позволяет фиксировать произвольное количество параметров и выполняет оптимизацию оставшихся параметров для достижения максимального значения коэффициента пропускания устройства. Оптимизация выполняется посредством генетического алгоритма. Проведено исследование селективного РИТ синтетического алмаза в плазмах на основе SF6 и Ar+O2 3:1 с контактными защитными масками из Ni и Mo. Определена скорость РИТ алмаза в плазме Ar+O2 3:1. Определены селективности РИТ Ni и Mo к алмазу в плазмах на основе SF6 и Ar+O2 3:1. Разработана методика формирования при помощи плазмохимического травления контактных защитных металлических масок из Mo с ровными краями, подходящих для РИТ алмаза. При помощи разработанной численной модели исследована эффективность пропускания устройства ввода-вывода света, имеющего вид дифракционной решетки. С помощью численных экспериментов определены критические геометрические параметры исследуемой системы, наиболее сильно влияющие на коэффициент пропускания. Получены зависимости коэффициента пропускания (эффективности ввода и вывода излучения) от критических геометрических параметров решетки. Установлено, что для угла наклона стенок α в пределах 60°-90° максимальное значение коэффициента пропускания, полученное оптимизацией остальных параметров, остается постоянным. Кроме того, изменение α может быть компенсировано изменением только коэффициента заполнения FF при фиксированных остальных параметрах. Установлено, что при уменьшении угла α его допустимая погрешность увеличивается, что упрощает процесс травления. Однако, т.к. при этом происходит уменьшение FF, необходимого для достижения той же эффективности, это приводит к повышению требований к точности электронной литографии. Исследовано влияние погрешности FF на коэффициент пропускания решетки. Установлено, что в случае погрешности ширины штриха W, имеющей нормальное распределения с среднеквадратичным отклонением σ < 20 nm, среднеквадратичное отклонение коэффициента эффективности, получаемое в экспериментах лежит в пределах 10%. Реализован простой метод контролируемого создания массивов NV-центров в заданных областях образца с помощью имплантации через микронные и субмикронные отверстия в металлических масках. Экспериментальным путем определены условия обработки малоазотных HPHT IIa алмазных пластин для формирования одиночных NV-центров с помощью ионной имплантации: энергия ионов имплантации 50 кэВ, размер отверстий в маске для имплантации меньше 500 нм, доза облучения 10^10 ионов/см^2, температура отжига 700°С, сектор роста {001}. С помощью метода Хэнбери Брауна и Твисса подтверждено наличие одиночных NV-центров в обработанных пластинах алмаза. Неопределенность пространственной локализации одиночных центров в латеральной плоскости пластины не превышает 0,5 мкм и предположительно обусловлена расхождением ионного пучка при торможении, а также повышением подвижности вакансий при высокотемпературном отжиге. Проведен количественный анализ создаваемых NV-центров в CVD-пленках и разных ростовых секторах HPHT-алмазов: в CVD-алмазе образуется несколько небольших (~5 NV-центров) кластеров, в {111} секторе HPHT-алмаза все NV-центры образуют один кластер, в {001} секторе HPHT-алмаза образуются в основном одиночные NV-центры.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проект РНФ № 18-72-00232 «Элементы интегральных оптических схем из синтетического алмаза» направлен на создание научно-технологического задела в области создания интегральных схем с рекордными характеристиками из монокристалла синтетического алмаза. Интегральные оптические (фотонные) схемы (ИОС) – новый шаг в эволюции интегрального приборостроения. В будущем они могут заменить электронные микросхемы, чрезвычайно широко используемые в полупроводниковой электронике. ИОС представляют собой множество наноразмерных оптических устройств, изготовленных на общей подложке, выполняющих различные функции обработки оптических сигналов. ИОС выгодно отличаются от традиционных микросхем пониженным тепловыделением и скоростью работы. В общем случае ИОС могут функционировать в различных областях оптического спектра, однако наибольший интерес представляют видимый диапазон для метрологических применений и телекоммуникационный диапазон ~1,5 мкм. Изготовление ИОС – сложнейшая технологическая задача, так как все ее компоненты должны быть сформированы в едином процессе, не допускающем промежуточного контроля качества. Для изготовления ИОС из кремния подходят широко распространенные CMOS-технологии, используемые для создания электронных микросхем. Однако кремниевые ИОС подходят лишь для работы в ИК-диапазоне спектра, что сильно ограничивает их применения. В настоящем проекте решена задача создания элементов ИОС из синтетического алмаза. Алмаз – чрезвычайно интересный материал с рядом рекордно высоких характеристик. Кроме того, в алмазе может быть создан интереснейший точечный дефект – отрицательно заряженный парамагнитный азот-вакансионный комплекс (NV-центр). NV-центр – уникальная система, позволяющая напрямую «общаться» с ее квантовым состоянием, то есть «считывать» и «записывать» его, причем можно записывать не только чистые состояния, но и их квантовую суперпозицию. Кроме того, NV-центр может быть использован как посредник для «общения» с ядерным спином соседних ядер С-13, что открывает новые перспективы для квантовых вычислений. К настоящему моменту предложен и реализован ряд квантовых устройств на NV-центрах в алмазе: гироскопы, магнитометры, однофотонные источники для квантовой криптографии и малокубитные квантовые компьютеры. Алмазные ИОС чрезвычайно востребованы в следующих областях науки и техники: - квантовая криптография. Создание специализированной ИОС позволит повысить квантовый выход излучения одиночного точечного центра окраски (NV, SiV) в несколько раз и таким образом, повысить пропускную способность линии квантового распределения ключа, основанную на истинно одиночных фотонах; - квантовые вычисления. Для эффективной адресации к NV-центру необходимо микроструктурирование поверхности. Умеренный вариант такого микроструктурирования – твердотельные иммерсионные линзы. Однако для создания сложной топологии необходимо формировать одиночные центры окраски в алмазных волноводах; - традиционная и квантовая сенсорика. Алмазные микрорезонаторы открывают путь для создания инновационных датчиков состава газовых и жидких сред. Один из путей создания такого датчика – помещение микрорезонатора в среду и анализ изменения его добротности, обусловленного осаждением примесей (микро- и нано-частиц) на поверхность резонатора, приводящим к изменению поведения света в резонаторе. Более интересный и высокотехнологичный путь – разработка комб-генератора на основе кольцевого алмазного микрорезонатора. Создав два таких комб-генератора с небольшим (порядка МГц) сдвигом их оптических частот друг относительно друга, и наблюдая биения их сигналов на фотодетекторе, можно перевести измерения оптического спектра из области оптических частот в область радиочастот (мегагерцы), таким образом, значительно повысив их точность. При этом характерный размер самого измерительного устройства будет составлять единицы миллиметров. Однако алмаз является чрезвычайно стойким материалом, не совместимым с CMOS технологией. Контролируемое микроструктурирование алмаза возможно лишь с использованием реактивного ионного травления через твердотельные маски, причем для создания ИОС необходимо формирование масок с разрешением порядка 10 нм, что в режиме свободного исследования достижимо лишь с использованием электронного литографа. В перспективе возможно серийное создание ИОС с использованием оптической литографии по аналогии с современными процессорами. Работы второго этапа стали продолжением работ первого этапа: - были проведены исследования зависимости скорости реактивного ионного травления алмаза в плазме на основе SF6 от мощности возбуждения плазмы индуктивным и емкостным генераторами, а также от давления. Было показано, что скорость травления растет с понижением давления и повышением мощностей накачки ICP и RIE. В результате был найден режим РИТ, обеспечивающий скорость травления алмаза 5,9 мкм/ч, что почти в 2 раза выше по сравнению с РИТ алмаза в емкостной системе; - были измерены селективности различных материалов масок (алюминий, никель, молибден) к алмазу в плазмах SF6 и Ar+O2 (3:1) и показано, что в плазме SF6 максимальной селективностью (75) обладает никель, а в плазме Ar+O2 – молибден (27). - был разработан двухступенчатый метод подготовки металлических масок с высокой селективностью и гладким краем, подходящих для реактивного ионного плазменного травления алмаза с целью получения элементов ИОС. Было показано, что изготовление масок с использованием взрывной литографии приводит к появлению недопустимо высокой шероховатости стенок ИОС (более 100 нм), что приводит к потерям мощности излучения в них. В качестве альтернативы предложен новый метод: создание масок из молибдена при помощи травления молибдена через маску из электронного резиста в плазме SF6, а затем травление алмаза через молибденовую маску в плазме Ar+O2. В результате получаются структуры с стенками, близкими к вертикали, и шероховатостью порядка десятка нм; - было проведено систематическое исследование зависимости углов стенок травления по отношению к вертикали от газового состава плазмы и ее давления. На первом этапе выполнения проекта было показано, что значение угла стенок травления оказывает большое влияние на эффективность ввода и вывода излучения. На втором этапе было показано, что травление в плазме SF6 позволяет добиться максимального угла травления в 78 градусов при значительном снижении давления плазмы – до 0,133 Па. В то же время плазма Ar/O2 при давлении 6,7 Па позволяет добиться угла травления в 84 градуса, что является очень хорошим результатом и может быть использовано для создания ИОС; - на основе полученных результатов разработана методика изготовления сложных элементов алмазных ИОС: делителей и микрорезонаторов. Методика описывает процесс, в котором исходными являются структура алмаз-на-диэлектрике и цифровой шаблон. Описано формирование масок двухступенчатым методом с последующим реактивным ионным травлением и покрытием элемента ИОС оксидом кремния; - продолжены экспериментальные исследования по созданию центров окраски в алмазе. На первом этапе была разработана методика формирования одиночных NV-центров в пластинах HPHT-алмаза. На втором этапе была исследована зависимость времен когерентности массивов NV-центров средней плотности от дозы электронного облучения и получены зависимости концентраций нейтральных и отрицательно заряженных NV-центров, а также времени когерентности Т2 и Т2* от дозы электронного облучения. Показано, что для задач магнитометрии оптимальная доза облучения составляет 10^18 1/см^2; - проведены предварительные исследования по созданию микроразмерных гетероструктур для реализации альтернативного варианта возбуждения электролюминесценции одиночных центров окраски в алмазе. Для этого были созданы микроструктуры алмаз (p-типа) – нанослой отщепленного β-Ga2O3 (n-типа) с локализацией области протекания тока с помощью литографических методов. Созданные структуры продемонстрировали биполярную проводимость, позволяющую реализовать электровозбуждение оптически-активных центров; - на основе экспериментальных исследований первого и второго этапов в области создания NV-центров в алмазе разработана лабораторная методика создания алмазных микроструктур, совмещенных с одиночными NV-центрами. Одиночные центры формируются в тонкой пластине HPHT алмаза через отверстия в никелевых масках в результате имплантации ионов гелия с малой дозой (10^9 1/см^2) с последующим отжигом при температуре 700 С. Затем с использованием конфокального микроскопа определяются координаты NV-центров относительно маркеров по углам образца и выполняется изготовление алмазного микрорезонатора таким образом, чтобы NV-центр находился внутри волновода; - разработана лабораторная методика исследований однофотонной эмиссии алмазных элементов интегральных оптических схем, содержащих NV-центры. Методика описывает накачку NV-центра, сбор его люминесценции и применение метода Хэнбери Брауна и Твисса для проверки истинной одиночности фотонов.