Создание функционирующего в режиме удаленного доступа интерактивного учебно-научного комплекса для выполнения работ на автоэмиссионном растровом электронном микроскопе – нанолитографе высокого разрешения и его виртуальном симуляторе

Номер контракта: 16.647.12.2023
Дата: 24.11.2010 - 25.08.2011
Головной исполнитель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

АННОТАЦИЯ ПРОЕКТА

Тема: «Создание функционирующего в режиме удаленного доступа интерактивного учебно-научного комплекса для выполнения работ на автоэмиссионном растровом электронном микроскопе – нанолитографе высокого разрешения и его виртуальном симуляторе»

Цель работы: создание системы дистанционного управления потоками научных и технологических данных, получаемых посредством использования экспериментально-методического комплекса на базе автоэмиссионного растрового электронного микроскопа-нанолитографа высокого разрешения для удаленного обучения и проведения экспериментов студентами (бакалаврами, магистрами), исследователями и разработчиками в области наноинженерии и наноэлектроники.

Работа по проекту велась в 3 этапа с 2010 по 2011 гг.

Нанолитография - один из приемов создания наноразмерных объектов, систем и приборов электроники. При нанолитографии один или несколько линейных размеров системы подвергается уменьшению, либо при физическом удалении части материала - травлении, либо при ограничении размера электронной подсистемы - при помощи электрического поля, создаваемого специально расположенными электродами. В технологии нанолитографии важнейшим элементом является процесс создания защитной маски в резисте - защитном материале на поверхности полупроводниковой пластины. Маска содержит рисунок необходимой топологии в виде открытых и закрытых частей. При дальнейшей обработке происходит либо вытравливание открытых участков поверхности пластины, либо напыление металла для создания контактов различного типа.
Создание наноразмерных топологий в технологии нанолитографии включает в себя ряд фундаментальных и прикладных проблем: это взаимодействие пучка частиц с твердым телом, в том числе с многослойными пленками; химические процессы проявления, растворения и травления в наноразмерных системах; адгезия в тонких пленках; элементы микро- и наномеханики и так далее.

Одним из наиболее удобных способов реализации нанолитографии является электронно-лучевая литография. Это обучловлено тем, что электронный пучок легко создать с небольшим размером и высокой плотностью тока, удобно изменять энергию электронов, управлять положением пучка в пространстве и быстро прерывать поток электронов. Находятся и материалы, чувствительные к облучению электронами, с помощью которых можно создать резисты для электронной нанолитографии. Недостатки такого способа заключаются в том, что скорость создания (экспонирования) топологий при таком способе обычно невелика, и система требует помещения объекта литографии в сверхвысокий вакуум. Однако с созданием систем проекционной электронной литографии для массового производства приборов электроники и литографов с профилированным пучком первый из недостатков практически устранен.

Поскольку установки для нанолитографии достаточно сложны и дороги, требуют специального обеспечения, они размещаются в специализированных лабораториях научно-исследовательских центров и университетов. При организации удаленного доступа обеспечивается наиболее широкий охват научной и образовательной среды, для которой необходимо использование данной технологии и приборно-инструментальной базы. Принцип дистанционного управления, эксперимента, получения результатов, а также дистанционного практического обучения позволяет реализовать концепцию коллективного пользования, построения единой и эффективной нанотехнологической сети.

2010 г.

На I этапе «Обзор и анализ методологии. Разработка методики удаленного доступа к лабораторному нанотехнологическому оборудованию» выполнен следующий комплекс работ:

- проведены анализ и систематизация полученных данных для оперативного выделения возникающих перспективных тенденций в области наноинженерии и наноэлектроники и связанных с этим процессов электронной нанолитографии, а также растровой электронной микроскопии для подготовки специалистов двух направлений: технологов и метрологов в области нанотехнологий на основе передовых достижений в данной области;

- разработана методика удаленного доступа к лабораторному нанотехнологическому оборудованию;

- создан алгоритм взаимодействия комплекса на базе автоэмиссионного растрового электронного микроскопа высокого разрешения с приставкой для нанолитографии с пользователями на всех уровнях (непосредственная работа и работа в режиме удаленного доступа), включая градацию по уровню квалификации пользователей и характеру выполняемых работ (лабораторные работы, экспериментальные исследования, подготовка образцов для их дальнейших исследований);

- проведена интеграция комплекса на базе автоэмиссионного растрового электронного микроскопа высокого разрешения с приставкой для нанолитографии с измерительными комплексами для измерения параметров получаемых на оборудовании образцов;

- осуществлена реализация автоматизированных процессов нанолитографии при управлении системами и модулями комплекса с единого интерфейса, включая управление значениями: апертуры (диафрагмы), ускоряющего напряжения колонны, настройками яркости и контраста изображения;

- осуществлен сбор информации по тематическим направлениям деятельности национальной нанотехнологической сети: «наноинженерия» и «наноэлектроника»;

- выработаны рекомендации на основе анализа полученных данных с целью улучшения параметров качества создаваемой системы удаленного доступа к комплексу на базе автоэмиссионного растрового электронного микроскопа высокого разрешения с приставкой для нанолитографии и реализующихся на нем технологических процессов и образовательных технологий. Создана и проведена адаптация системы автоматического управления установкой, включающей процессы откачки, измерения, технологические процессы и обеспечивающей удаленное управление установкой.

2011 г.

На II этапе «Практическая реализация разработанной методики удаленного доступа к комплексу на базе автоэмиссионного растрового электронного микроскопа высокого разрешения с приставкой для нанолитографии» подготовлены:

- прогнозно-аналитический обзор для определения актуальных направлений в области наноинженерии и наноэлектроники, связанный с созданием функционирующего в режиме удаленного доступа интерактивного учебно-научного комплекса для выполнения работ на автоэмиссионном растровом электронном микроскопе – нанолитографе высокого разрешения, изучением и освоением процессов нанолитографии;

- описание методики удаленного доступа к лабораторному нанотехнологическому оборудованию: интерактивному учебно-научному комплексу для выполнения работ по нанолитографии и электронной микроскопии.

Особенность исследования и проведения работы заключаются в использовании А3В5 - наноразмерных гетероструктур в приборах сверхвысокочастотной (СВЧ) и коротковолновой (КВЧ) электронике, где базовым материалом являются гетероструктуры, содержащие комбинации слоев твердых растворов полупроводников с широкой и узкой запрещенной зоной: AlGaAs/InGaAs/GaAs, InAlAs/InGaAs/InP, InAs/AlSb, AlGaN/GaN/сапфир и т.д. Характерная толщина активного слоя - канала, в таких структурах имеет размер порядка 10 нм, что много меньше, чем длина волны де-Бройля для электронов. В результате, наблюдается размерное квантование спектра носителей тока. В таких структурах возможно пространственное разделение легирующей примеси и носителей тока, что приводит к существенному возрастанию дрейфовой скорости насыщения электронов, уменьшению флуктуаций, более жесткому пространственному ограничению. Эти выгоды вносят вклад в развитие электроники сверхвысоких частот, обеспечивая частоты работы транзисторов в диапазоне до 150 ГГц и выше, вплоть до 560 ГГц, низкие шумы, высокую крутизну и малую емкость прибора.

Описание методики удаленного доступа к лабораторному нанотехнологическому оборудованию: интерактивному учебно-научному комплексу для выполнения работ по нанолитографии и электронной микроскопии позволяет повысить уровень научно-технического потенциала страны.
В ходе выполнения 2-ого этапа были созданы два учебных курса.

Курс 1. Изучение физических основ технологий современной микро - и наноэлектроники с помощью электронно – лучевой нанолитографии

Курс состоит из 6-ти лекций

Лекция 1 «Процессы в планарной технологии микро- и наноэлектроники»

Лекция 2 «Технологии микро- и нанолитографии»

Лекция 3 «Металлизация омических и затворных контактов»

Лекция 4 «Плазменные процессы в нанотехнологиях. Осаждение диэлектриков. Травление материалов»

Лекция 5 «Создание транзисторов и монолитно интегрированных микросхем»

Лекция 6 «Особенности технологических приемов для создания наноэлектронных приборов»

Практические занятия

Практическое занятие 1: Электронно-лучевая нанолитография

Практическое занятие 2: Планарная технология в микро-и наноэлектронике

Практическое занятие 3: Основы фотолитографии

Практическое занятие 4: Электронная растровая микроскопия

Курс 2. Изучение термодинамики и кинетики роста атомных слоёв. Исследование поверхности

Курс состоит из 6-ти лекций.

Лекция 1 «Принцип молекулярно-лучевой эпитаксии»

Лекция 2 «Оборудование для молекулярно-лучевой эпитаксии»

Лекция 3 «Физические процессы. Контроль параметров»

Лекция 4 «Инжиниринг наногетероструктур. Выбор гетеросистемы»

Лекция 5 «Приложения эпитаксиальных структур»

Лекция 6 «Методы поверхностной и объемной характеризации гетероструктур»

Практические занятия

Практическое занятие 1: Работа с вакуумной системой молекулярно-лучевой эпитаксии. Откачка камеры роста до 10-10 Торр

Практическое занятие 2: Измерение электрофизических характеристик гетероструктур AIIIBV с помощью метода Ван-дер Пау.

В каждом учебном курсе разработаны помимо курса лекций и практических занятий созданы контрольные вопросы, тесты для самотестирования, итоговое тестирование по всему курсу, тематики рефератов.

На данный момент все описанные выше материалы являются контентом сайта http://cyber.mephi.ru:3615 и доступны для удаленного изучения.

На III этапе «Реализация результатов разработки учебно-методического комплекса» выполнены следующие работы:

- разработаны учебно-методические материалы с возможностью представления образовательного контента в стандарте SCORM 2004;

- спроектирован мультимедийный учебно-научный комплекс (симулятор установки) для обучения студентов элементам нанолитографии при работе с комплексом на базе автоэмиссионного растрового электронного микроскопа высокого разрешения с приставкой для нанолитографии;

- проанализированы результаты эксплуатации установки в режиме удаленного доступа;

- создан электронный обучающий ресурс на сайте исполнителя с использованием материалов созданного мультимедийного учебно-научного комплекса;

- размещены результаты реализации проекта и рекомендаций по их использованию в ННС;

- разработано авторское сопровождение размещенных в ННС материалов.

Информирование обучающихся пользователей о программно-аппаратных требованиях к персональным компьютерам (ПК) для обеспечения бесперебойной работы с материалами интерактивного комплекса симулятора автоэмиссионного растрового электронного микроскопа Raith 150 TWO с приставкой для нанолитографии производится на сайте исполнителя и по электронным адресам обучающихся.

SCORM 2004 (Sharable Content Object Reference Model) — это международный стандарт, который определяет требования к организации учебного материала и всей системы дистанционного обучения (СДО). Соответствие электронных курсов стандарту SCORM 2004 обеспечивает совместимость компонентов и возможность их многократного использования. Учебный материал представлен отдельными небольшими блоками, которые могут включаться в разные учебные курсы и использоваться в СДО независимо от того, кем, где и с помощью каких средств были созданы.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»