Ученые МИЭТ создают уникальную киноформную оптику для наномира.
Как устроены кристаллы, почему у новых материалов необычные свойства, как увидеть атомы и живые клетки? Ответить на эти вопросы помогают самые разные методы исследования, во многих из них используются различные виды излучения. Они дают возможность получить информацию о материале, недоступную обычной оптике. Рентгеновское излучение особенно тем, что у него малая длина волны, что позволяет ему проникать внутрь молекулярной структуры и изучать самые мельчайшие детали. Правда, управлять таким лучом гораздо сложнее, чем обычным видимым светом. В диапазоне электромагнитного излучения от 0,1 до 10 нанометров законы оптики совсем другие.
Добиться высокой точности позиционирования и фокусировки рентгеновского пучка - серьезная технологическая задача. Ее предстоит решить команде Московского института электронной техники, чей проект 26-72-32002 победил в конкурсе мегагрантов Российского научного фонда в 2026 году.
Проект рассчитан на пять лет и объединит фундаментальные исследования, инженерные разработки и опыт промышленного партнера. Руководитель работ, глава компании «Активная Фотоника» Дмитрий КОЗОДАЕВ рассказал «Поиску», почему рентгеновской оптике требуется точность на уровне нанометров, как ее достичь и какие новые возможности даст труд его команды современной науке и высокотехнологичному производству.
– Начнем с самого главного. Что именно вы хотите создать?
– Мы хотим разработать технологию изготовления составных преломляющих киноформных линз для рентгеновской оптики, которая поможет заглянуть в мир объектов размером в несколько нанометров. Конечная цель - рентгенооптическая система, которая позволит получить разрешение свыше 30 нанометров для рентгеновской микроскопии и свыше 20 нанометров для рентгенолитографии - технологии изготовления микросхем, в ней для переноса изображения с шаблона на светочувствительный слой используют мягкое рентгеновское излучение.
– Что представляет собой киноформная линза?
– Если говорить совсем просто, это своеобразная «лупа» для рентгеновских лучей. Только, в отличие от обычной линзы, она не выглядит как кусочек стекла с плавно изогнутой поверхностью. На ней создан очень маленький и точно рассчитанный рельеф - множество мельчайших ступенек, которые помогают направлять рентгеновские лучи туда, куда нам нужно.
Киноформный рельеф линзы интересен тем, что работает прежде всего с фазой падающей волны. То есть мы управляем волновым фронтом, формируя его так, чтобы получить нужное изображение. Это позволяет очень точно контролировать распространение рентгеновского излучения. В идеальном случае линза направляет практически весь падающий свет в один нужный дифракционный порядок, а не делит его между несколькими. Для рентгеновского диапазона это особенно важно: каждый потерянный фотон снижает эффективность всего комплекса.
Сегодня отдельные киноформные линзы уже созданы и испытаны. Но для многих задач одной такой линзы недостаточно, необходимо объединить их в эффективную составную систему. Для этого линзы нужно точно выровнять, надежно зафиксировать, обеспечить возможность прецизионного перемещения и прочно соединить друг с другом. Именно такая составная оптика позволит приблизиться к нанометровому разрешению, сопоставимому с возможностями электронной микроскопии.
– Как это делается? Насколько вообще сложна такая конструкция?
– Составная киноформная линза - это пакет из нескольких десятков одиночных линз, каждая из которых имеет преломляющий профиль с радиусами кривизны порядка нескольких микрон. Эти линзы необходимо сначала изготовить с микронной точностью профиля, потом совместить друг с другом с точностью в 30 нанометров и, наконец, соединить в пакет, не повредив структуру.
Каждую линзу формируют вместе с оправой в одном технологическом цикле. Оправа имеет крепления для фиксации в устройстве позиционирования. То есть мы фактически должны создать целую технологическую платформу для сборки оптической системы.
– Что сложнее всего - изготовить линзу, сделать подложку или совместить элементы?
– Безусловно, одна из главных сложностей - именно сборка. Изготовление преломляющих профилей с радиусами кривизны в единицы микрон вполне доступно современной микроэлектронной технологии. Подготовить для них оправу тоже не проблема. А вот точное выравнивание, фиксация, перемещение и соединение элементов требуют новых технических решений. Именно эти задачи мы и намерены проработать в рамках проекта. В частности, для соединения линз мы собираемся использовать принципиально новый для этой технологии метод - электроадгезию. А совместить множество элементов с необходимой точностью позволит устройство прецизионного позиционирования.
– Как оно будет работать и что в нем нового?
– В основе устройства - пьезокерамические приводы с обратной связью. Это миниатюрные механизмы, которые под действием электрического напряжения немного изменяют свои размеры и тем самым обеспечивают сверхточное перемещение деталей. Пьезокерамика традиционно используется в современной микроскопии и нанотехнологиях. Новизна же заключается в интеграции пьезоприводов с оправой линзы и системой фиксации, а также в создании единого механизма, обеспечивающего перемещение нескольких десятков оптических элементов с контролируемой точностью порядка 30 нанометров.
– Вы упомянули такой необычный метод соединения линз, как электроадгезия. В чем его суть и преимущество перед традиционными способами?
– Электроадгезионное соединение основано на электростатическом притяжении электризованных тел. Под действием внешнего электрического поля поверхностная плотность зарядов в зоне контакта соединяемых деталей увеличивается. В результате создается давление, сопоставимое с тем, которое используется при диффузионной сварке. Это позволяет получать не только временное, но и постоянное соединение деталей.
При этом фиксация происходит без нагрева, в отличие от традиционных методов - сварки плавлением, контактной и диффузионной сварки. Для микрооптических элементов это критично: нагрев может нарушить их прецизионную структуру.
Еще одно существенное преимущество электроадгезии - возможность сцеплять разнородные элементы. Киноформные линзы делают из легких материалов с низкой плотностью и минимальным поглощением рентгеновских лучей - кремния, бериллия, алмаза, углерода или полимеров. Традиционные методы во многих случаях не позволяют надежно соединять металлы и полупроводники с неметаллическими материалами.
У руководителя проекта и ряда его участников уже есть значительный практический задел в разработке подобных технологий. Поэтому речь идет не об экспериментальной идее, создаваемой с нуля, а о развитии уже накопленных компетенций.
Фото предоставлено Центром коллективного пользования «Микросистемная техника и электронная компонентная база» Национального исследовательского университета «МИЭТ»
– Что из будущей системы уже опробовано в прототипах, а какие решения предстоит разработать с нуля?
– У нас уже есть достаточно серьезный технологический задел. Во-первых, наработана технология изготовления одиночных киноформных линз для мягкого рентгеновского диапазона. Во-вторых, есть опыт создания прецизионных систем перемещения на пьезокерамике. В-третьих, накоплена практическая база для работы с электроадгезионным соединением. Нет готовой технологии изготовления именно составной киноформной линзы. И это как раз основная задача проекта. Нужно разработать воспроизводимую технологию сборки пакета, создать устройство позиционирования, которое будет совместимо с оправой линзы, и разработать методы юстировки всей рентгенооптической системы.
– В каких экспериментах и исследованиях планируется использовать такие линзы?
– Одно из направлений - рентгеновская микроскопия. Такая оптика может использоваться для исследования наноструктур, функциональных материалов и биологических объектов на атомарном и молекулярном уровнях, в том числе в режиме реального времени.
Вторая область применения - рентгеновская литография. Здесь цель еще более амбициозная - формирование наноструктур с разрешением свыше 20 нанометров.
Отдельная задача связана с крупными научными установками - современными синхротронами поколения 4+ и рентгеновскими лазерами на свободных электронах. В России создается и развивается целый ряд таких комплексов. Мы ожидаем, что создаваемые нами изделия закроют многие их потребности в специализированной рентгеновской оптике.
– Что дал вам опыт руководителя компании, создающей научное оборудование? Помог ли он по-другому взглянуть на задачу?
– Когда ты занимаешься фундаментальной физикой, то прежде всего думаешь о физическом явлении: что происходит, почему, можно ли это экспериментально подтвердить. Когда ты создаешь научное оборудование, появляется еще один уровень мышления: а что потом? Можно получить красивый экспериментальный результат, но если устройство невозможно запустить в серию, нельзя встроить в реальную установку (рентгеновский микроскоп, литограф или синхротронную станцию), практическая ценность результата будет ограничена.
Мы изначально ориентированы на внедрение. Это меняет приоритеты, например, делает критически важными не только чисто физические параметры, но и воспроизводимость, надежность, технологичность изготовления.
Второй момент - понимание технологических ограничений и возможностей производства. Мы знаем, какие решения можно реализовать на существующей базе, а где придется начинать разработку практически с нуля. Электроадгезия выбрана не только потому, что она физически подходит для соединения элементов, но и потому, что у нас уже есть компетенции в этой области. То же самое касается пьезокерамических систем прецизионного перемещения.
С точки зрения руководителя компании, создающей оборудование, в том числе серийное, задача формулируется так: «Создать технологию, которая позволит серийно изготавливать пакеты линз и встраивать их в реальные рентгенооптические приборы». То есть в некотором смысле мы создаем не просто новую линзу, а технологическую платформу для изготовления нового класса рентгеновской оптики.
– С кем сегодня в мире можно сравнить вашу разработку и в чем именно вы рассчитываете опередить конкурентов?
– В нашей заявке указано, что по итогам проекта будет создана инновационная продукция в области рентгеновской микроскопии и литографии, аналогов которой нет на отечественном и мировом рынке.
На современных синхротронах во множестве применяются составные преломляющие линзы различных типов, однако составные киноформные линзы сегодня практически не используются из-за сложности их массового изготовления и совмещения. Мы рассчитываем на первенство в создании надежной технологии их изготовления, которой пока нет ни в России, ни в мире. Наше преимущество - в комплексном решении задач выравнивания, фиксации, прецизионного перемещения и сцепления линз.
– Какие элементы вашей системы зависят от зарубежного оборудования, материалов или компетенций?
– Мы обладаем всеми необходимыми компетенциями для успешной реализации проекта. Материалы, предполагаемые к использованию при создании линз, также вполне доступны в России: высокочистый кремний, алмаз, полимеры. В части оборудования для изготовления и контроля качества изготавливаемых линз мы предполагаем постепенно уйти от зависимости в зарубежных компонентах, создавая свои установки для лазерного микроструктурирования и оптического интерференционного контроля.
– Есть ли в проекте задачи, которые без грантовой поддержки пришлось бы отложить или решать значительно медленнее?
– Безусловно. Разработка роботизированной системы, способной стыковать хрупкие наноструктуры с погрешностью не более 30 нанометров, требует одновременно привлечь значительные ресурсы в нескольких областях - точной механике, оптике и микроэлектронике. Без целевого финансирования устройство прецизионного позиционирования пришлось бы собирать годами, поэтапно, используя менее точные и более доступные комплектующие.
Грант РНФ позволяет сразу приобрести дорогостоящие приводные узлы и оптические интерференционные компоненты и организовать параллельную работу физиков-теоретиков, программистов и инженеров-механиков. Это существенно ускоряет переход от теоретических решений к работающей технологии, востребованной в перспективных нанолитографах, микроскопах «водного окна» и компактных космических телескопах.
– Помимо оборудования проект требует специалистов с очень разными и редкими компетенциями. Насколько критична для его реализации возможность сформировать такую команду?
– Это один из ключевых факторов успеха. Проект требует объединения компетенций, которые редко встречаются в одном коллективе: специалистов мирового уровня по прецизионным измерительным системам, микросистемной технике МЭМС, физиков, создающих математические модели волнового фронта рентгеновского излучения. Грантовая поддержка позволяет обеспечить работу такого междисциплинарного коллектива и привлечь специалистов именно под задачи проекта, готовых коммерческих решений для которого в мире не существует.
Надежда ВОЛЧКОВА
Обложка: фото предоставлено Центром коллективного пользования «Микросистемная техника и электронная компонентная база» Национального исследовательского университета «МИЭТ»
