разработка и промышленное производство лазерного

РАЗРАБОТКА И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО
ЛАЗЕРНОГО ИНТЕРФЕРЕНЦИОННО
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННО- МОДУЛЯЦИОННОГО
МИКРОСКОПА И СОЗДАНИЕ НА ЕГО ОСНОВЕ
ИЗМЕРИТЕЛЬНО- ИНФОРМАЦИОННОГО КОМПЛЕКСА
ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ С НАНОМЕТРОВОЙ ТОЧНОСТЬЮ
СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ И
БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Инновационно-активный холдинг «Швабе»
РАЗРАБОТКА И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО ЛАЗЕРНОГО ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОМОДУЛЯЦИОННОГО МИКРОСКОПА И СОЗДАНИЕ НА ЕГО ОСНОВЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОИНФОРМАЦИОННОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ С НАНОМЕТРОВОЙ ТОЧНОСТЬЮ
СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ И БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Авторский коллектив:
Ракович Николай Степанович – заместитель генерального директора по НИОКР и инновационному развитию
ОАО «ШВАБЕ», руководитель работы
Максин Сергей Валерьевич – генеральный директор ОАО «ПО «УОМЗ», кандидат экономических наук
Андреев Александр Геннадьевич – директор Государственного инжинирингового центра ФГБОУ ВПО МГТУ
«СТАНКИН»,
СТАНКИН кандидат технических наук
Григорьев Сергей Николаевич – ректор ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», доктор технических наук, профессор.
Телешевский Владимир Ильич – профессор кафедры «Измерительные информационные системы и технологии»
ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», доктор технических наук, профессор
Индукаев Константин Васильевич – директор по науке ООО «Лаборатории АМФОРА»
Кольнер Лев Семенович – главный конструктор ООО «Лаборатории АМФОРА»
Осипов Павел Альбертович - генеральный директор ООО «Лаборатории АМФОРА»
Каширин
р Александр
р Иванович – ууправляющий
р
директор
р
р по стратегии
р
– начальник департамента
р
стратегического
р
управления и инновационного развития ГК «Ростехнологии», кандидат экономических наук
Сергеев Игорь Константинович – доцент кафедры «Медико-технические информационные технологии» МГТУ
им. Н.Э.Баумана, кандидат технических наук, доцент
2
РАЗРАБОТАН СПОСОБ МОДУЛЯЦИОННОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ МИКРОСКОПИИ (МИМ)
С РАЗРЕШЕНИЕМ ДО 0,1 НМ ПО ВЕРТИКАЛИ (ОСЬ Z) И ДО 10 НМ В ПЛОСКОСТИ XY
10
1 – лазер,
3
2 –светоделитель,
3 –поворотное зеркало,
4 – объектив объектного плеча,
5 – исследуемый объект,
6 – объектив
б
опорного плеча,
2
7 – опорное зеркало,
1
8 – фазовый пьезоэлектрический модулятор,
9 – система управления фазовым сдвигом
интерференционных изображений 10,
10 – семейство последовательно детектируемых
интерферограмм,
5
11 – многоэлементная фотоэлектрическая матрица.
11
Компьютерное восстановление
фазового портрета объекта
I ik'' = I объекта + I опоры + 2 I объекта ⋅ I опоры
I ik''' = I объекта + I опоры + 2 I объекта ⋅ I опоры
8
6
Ф(t)
4
9
7
Y
X
(
)
⋅ cos(ϕ + Δϕ )
⋅ cos(ϕ + Δϕ )
'
I ik' = I объекта + I опоры + 2 I объекта ⋅ I опоры ⋅ cos ϕ + Δϕмод
''
мод
'''
мод
Трёхмерный рельеф
Способ МИМ базируется на оптической схеме интерферометра
Линника с фазовой модуляцией Ф(t) в опорном плече и
формированием семейства интерферограмм по разработанному
авторами алгоритму адаптивного сканирования рельефа
поверхности объекта.
В результате компьютерной обработки семейства
интерферограмм восстанавливается пространственный рельеф
поверхности в пределах пятна диаметром D≤12 мкм при
максимальном соотношении сигнал/шум для каждой точки поля
зрения.
Способ получения фазового портрета структуры поверхности защищён патентами: RU 2181498 С1 от 15.01.2001, US Patent No. 10/466,351 от
14.07.2003, European Patent No. 01922153.0-2217 от 23.01.2001, WO2012148309 от 01.11.2012, RU 2463552, 10.10.2012
Разработанная технология МИМ позволяет визуализировать микро- и нанорельеф объекта с локализацией анизотропии и
измерением показателя преломления.
Изображения
р
д
дифракционной
фр ц
решетки
р
3600 штр/мм
р
в микроскопах:
р
по способу МИМ
атомно-силовом
МИМ в современной микроскопии
3
По оценкам экспертов РОСНАНО микроскоп МИМ по разрешающей способности является лучшим в мире оптическим микроскопом.
ИЗМЕРИТЕЛЬНО - ИНФОРМАЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ С НАНОМЕТРОВОЙ
ТОЧНОСТЬЮ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ И БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Характеристики микроскопа МИМ:
Поле зрения,
зрения мкм ………………………..7-150
7 150
Разрешение по вертикали, нм……. 0,1
Разрешение в плоскости XY, нм..…100 – 10
Скорость съемки, кадр/сек………..…3
МИМ-340
Производитель,
модель
Параметры,
свойства
Тип микроскопа
Поверхностное разрешение (X,Y)
Вертик. разрешение (Z)
Трехмерный рельеф
Время получения снимка
Ж
Живые
объекты
б
в динамике
Окружающая среда
Неразрушающее воздействие
Бесконтактность
Длина волны света
Чувствительность к оптическим
материальным параметрам
Розничная цена (средняя оценка)
Характеристики координатного стола:
Длина хода (X - Y - Z),
Z) мм……........
мм
300x300x100
Точность позиционирования, нм…………….. 10
Повторяемость, нм…………………….……………....10
Непрямолинейность перемещения, нм…….. 40
Скорость перемещения, мм/с..…………….…... 10
Грузоподъемность,
ру
д
, кг…………………………….….. 15
Конкурентная область измерительно-информационного комплекса на мировом рынке
УОМЗ
(Россия)
МИМ-340
Ц
Цейсс
Германия
Аксиотрон
Лазерный
интерферометр Ультрафиолет
ический
Ц
Цейсс
Германия
LSM510
ZYGO
NewView 6200
США
ИнтерфероЛазерный
метр белого
конфокал
света
Диджитал
инструмент
США
Aurora2
JEOL
Япония
JSH6360
Диджитал
инструмент
ру
США
Dimention
3000
C3M Solver
SNOM, НТ МДТ
Оптический
Сканирующий
зондовый
Электронный
Атомноближнепольный
ближнего сканирующий. силовой
оптический
поля
100 нм
3 нм
1 нм
50 - 100 нм
Не обьявл.
5 нм
0,1 нм
Нет
Нет
Да
Нет
30 мин
30 мин
40 мин
Не указ.
Н
Нет
Н
Нет
Н
Нет
Н
Нет
Воздух
Вакуум
Воздух
Воздух
Да
Нет
Частично
Частично
Да
Да
Нет
Частично
430-640 нм
Электр луч Нет излучен
Не указ.
Сравнение
характеристик
До 10 нм
0,1 нм
Да
0,3 сек
Д
Да
Воздух
Да
Да
532 нм
150 нм
250 нм
Нет
0,1 мин
Н
Нет
Воздух
Частично
Да
248 нм
160 нм
50 нм
Да
30 мин
Д
Да
Воздух
Да
Да
430-640 нм
360 нм
0,1 нм
Да
5 сек
Н
Нет
Воздух
Да
Да
550 нм
На уровне
Превышает
Превышает
Превышает
П
Превышает
На уровне
Превышает
На уровне
На уровне
Да
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Превышает
$ 150 000
€ 350 000
€ 400000
$ 250 000
$ 250 000
$ 750 000
$ 170 000
$ 75 000
На уровне
Научно-технический задел защищен 19 патентами, действующими на территории России и стран – конкурентов
Соответствие метрологических характеристик комплекса подтверждено сертификатом
№ РОСС.
РОСС RU.
RU И750.НЖ02.000050,
И750 НЖ02 000050 выданным АНО «Наносертифика» по результатам испытаний
проведенных в МЦ «РОСНАНО»
Соответствие производства ОАО «ПО «УОМЗ» на выпуск нанотехнологичной продукции
подтверждено сертификатом № РОСС. RU. И750.НЖ03.К00002
4
РАЗРАБОТАНЫ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОТОЧНЫХ
ОРИГИНАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ КОМПЛЕКСА, В ТОМ ЧИСЛЕ МНОГОКООРДИНАТНЫЕ
УЛЬТРАПРЕЦИЗИОННЫЕ СТАНКИ С ЧПУ
Разработана оригинальная конструкция длинноходового стола с ходами X=300 мм, Y=300 мм, Z=100 мм с отклонениями от прямолинейности перемещений
не более
б
40 нм на всей
й длине хода и полной
й 3D-автокомпенсацией
3
й влияния колебания
б
давления сжатого воздуха в аэростатических опорах. В конструкции
комплекса не возникает перераспределений реакций опор, что исключает линейные и угловые погрешности положения при перемещении элементов
конструкции в любом из 3-х взаимно перпендикулярных направлениях и обеспечивает смещение объектива относительно объекта на величину не более 1 нм
при различных вибрационных воздействиях. Разработан алгоритм управления электроприводами, обеспечивающий безвибрационное перемещение масс с
демпфированием продольных колебаний двигателями в движении и при остановке.
Тем самым обеспечиваются высокоточные измерения в любой точке поверхности площадью 300X300 мм2
Основные узлы микроскопа МИМ-340
Патенты: «Линейное
позиционирующее
устройство»
у
р
RU 109846 от 27.10.2011,
RU 130356 от 20.07.2013,
RU 112394 от 10.01.2012
WO2012177175 от 27.12.2012
Патенты: «Угловая пневматическая
опора»
RU 109244 от 10
10.10.2011,
10 2011
RU 130017 от 10.07.2013,
WO2012158065 от 2.11.2012
Патенты: «Аэростатическое устройство для позиционирования инструмента относительно объекта»
RU 109845 от 27.10.2011, RU 108131 от 10.09.2011 WO2012148310 от 01.11.2012
Модель А-500
для обработки
оптических
деталей
методом
алмазного
точения
Модель Ф-300
для шлифования
и алмазного
точения
оптических
деталей
Модель К-200
Для обработки
хрупких
материалов
методом
шлифования
ИЗМЕРИТЕЛЬНО - ИНФОРМАЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС С ЛАЗЕРНЫМ МИМ - МИКРОСКОПОМ
И ДЛИННОХОДОВЫМ КООРДИНАТНЫМ СТОЛОМ
Комплекс предназначен для измерения больших поверхностей объектов (до 300х300 мм):
вейферов, фотолитографических масок, оптических поверхностей и т.д.
o
o
o
o
o
o
o
Микроскоп с выдающимся латеральным разрешением: 10-100 нм – лучшее среди оптических микроскопов
Время получения полного 1280х1024 пикс. Кадра - 0,3 сек.
3D-профилометр с вертикальным сверхразрешением: 0,1 нм
Возможность визуализации оптически анизотропных областей микроструктуры размером менее 100 нм
Возможность регистрации нанодинамики и записи «нанокино»
Фокусировка с дискретностью 0,25 нм
Измерительно - информационного комплекс обеспечивает плоскостность и прямолинейность перемещений (в
пределах до 40 нм), превосходя характеристики существующих координатно-измерительных машин в 5-6 раз
Области применения (полупроводниковая, оптическая
промышленность и материаловедение)
Примеры МИМ-изображений микро- и нанообъектов
o Дефектоскопия интегральных схем, находящихся под слоем SiO2,
с разрешением 0,1 нм по вертикали и 10-100 нм в плоскости объекта
3s=50 нм.
o Технологический контроль шероховатости Ra до 0,16 нм
o Контроль толщины и качества покрытий, в т.ч. поляризующих
o Контроль качества дифракционных решеток, зеркал лазеров и
лазерных гироскопов.
Ступенька высотой 3,5 нм
Тонкопленочный
транзистор (TFT)
o Контроль
р
толщины
щ
оптических покрытий
р
от 2 нм д
до 1 мкм
o Исследование оптических свойств наноструктур материалов
(кристаллитов и межкристаллитных зон)
o Исследование физических свойств нанообъектов ( показатель
преломления, анизотропия, фазовый состав, механические
напряжения))
o Исследование динамических характеристик пьезокерамических и
магнитострикционных материалов
След тяжелого иона на
полупроводниковой подложке
Поверхность DVD диска
ИЗМЕРИТЕЛЬНО - ИНФОРМАЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС С ЛАЗЕРНЫМ МИМ - МИКРОСКОПОМ
И ДЛИННОХОДОВЫМ КООРДИНАТНЫМ СТОЛОМ
Области применения (биология и медицина)
Визуализация клеток крови
в норме
МИМ позволяет выявить патологии эритроцитов:
с патологией
Экспресс анализ количества нормальных
и патологических форм
ф
эритроцитов –
новый инструмент в гематологии
MIM 3D image
MIM 3D image
Активация
ц T- лимфоцитов
ф ц
Высокий потенциал применения МИМ в
трансплантологии иммунологии
и фармакологии
Морфология опухолевых клеток
Fluorescent
microscope
p
image
MIM image
20 m
Новые методы скрининга
лекарственных
препаратов
Исследование клеток в реальном времени:
Фазовая морфология клеток и органелл
Изменения в морфологии клетки под
действием противоопухолевых препаратов
20 mim
Визуализация
у
ц вирусов
ру
и их структур
ру ур
Сверхвысокое разрешение
МИМ позволяет
у
р
РНК
визуализировать
структуры в вирусах
Модель вируса AH3N2 (гриппа)
МИМ-изображение вируса
7