Система удаленного доступа к автоэмиссионному растровому электронному микроскопу высокого разрешения Raith 150 TWO с приставкой для нанолитографии (НИЯУ МИФИ)

Миниатюризация элементов интегральных схем есть способ увеличения их производительности и эффективности. Поэтому существует потребность как в развитии наноструктурирования, так и создания специализированных структур на чипах с элементами, имеющими нанометровые размеры в таких областях как: оптоэлектроника, рентгеновская оптика, исследования в области физики низких температур и квантово-размерных эффектов, новых материалов, таких как двумерный графен и т.д.

Современная микро-и наноэлектроника основывается на так называемой планарной технологии. Планарная технология - это технология формирования полупроводниковых приборов в плоскости пластины, с использованием металлизации, травления и пассивации. Наиболее распространенным процессом является литография (в частности, электронно-лучевая литография) - формирование рисунка (топологии) открытых и закрытых защитным слоем – резистом, областей поверхности пластины. Литография позволяет вскрыть в слое резиста области заданного размера, чтобы обеспечить напыление металла на пластину, либо травление пластины с гетероструктурой, либо проведения ионной имплантации.

Процессы рисования такой топологии, например, прорисовки нанометровых затворов реализуемы в НИЯУ МИФИ на установке Raith 150 TWO. Блок – схема электронно-оптической колонны (внутри короба) показана на рис. 1 (1 – болты крепления разъема, 2 – кабель высокого напряжения, 3 – колонна с электронной пушкой).

Сам процесс электронно-лучевой литография (ЭЛЛ, EBL – electron-beam lithography) – это специализированная технология изготовления структур предельно малых размеров. Данная технология развилась из сканирующей электронной микроскопии в 1960-х годах.

Рис. 1 - Блок схема.png

Преимуществами ЭЛЛ перед другими видами микроструктурирования заключаются в следующем:

• Дифракционный предел не влияет на разрешение (< 10 нм при энергии электронов 10-50 кЭв. Разрешение может достигать 5 нм;
• Отсутствие шаблонов (в отличие от проекционных методов) – возможность использования неограниченного числа различных форм структур (patterns) и разнообразных материалов.

Недостатками метода являются:

• Низкая производительность из-за отсутствия параллелизма (на несколько порядков медленнее оптической литографии). Применение только для НИР и создания масок для фотолитографии;
• Влияние обратного и прямого рассеяние электронов на разрешение;
• Дороговизна и сложность оборудования: необходим высокий вакуум (10^-6÷10^-10 Торр);
• Защита установки от вибраций, внешних электромагнитных полей и т.д.

Система обеспечения удаленного доступа и архитектура аппаратно-программного комплекса

Применяемые средства удаленного управления обеспечивают одновременную работу с установкой (электронным растровым микроскопом) одновременно двух пользователей: локального оператора установки (с помощью имеющихся у него средств управления – клавиатуры и мыши) и удаленного. Локальный оператор установки имеет возможность в любой момент времени (без необходимости какого-либо переключения) захватить управление установкой.

Разработанные и используемые средства управления комплексом позволяют обеспечить удаленное и локальное управление комплексом с разграничением доступа к функциям комплекса для пользователей разных уровней по квалификации и характеру выполняемых работ.

Алгоритм включает в себя 4 основные фазы:

1. Согласование и предоставление прав удаленного доступа пользователю.
2. Подключение удаленного пользователя к комплексу.
3. Удаленная работа с комплексом.
4. Завершение удаленной работы с комплексом.

На первой фазе производится согласование возможности и времени доступа к комплексу. Поскольку единовременно удаленную работу в режиме управления комплексом может выполнять только один удаленный пользователь (и локальный пользователь), необходимо согласование времени доступа. Согласование может производиться между сотрудником лаборатории (ответственным лицом) и пользователем, желающим получить удаленный доступ к комплексу, каким-либо способом. Например, посредством веб-сайта, электронной почты или телефона.

На второй фазе удаленный пользователь, получивший право доступа, в согласованное время выполняет подключение к системе удаленного управления микроскопом. Система проверяет правильность указанного пароля и подтверждает возможность доступа или отклоняет её, если доступ невозможен (пароль не верен или пользователь не имеет возможности доступа).

На третьей фазе удаленный пользователь работает с комплексом посредством системы удаленного управления. При этом сервер системы удаленного управления выполняет роль посредника между микроскопом и удаленным пользователем. Схематическое изображение АПК представлено на рис. 2.

В схему входят следующие элементы:

1. Электронный микроскоп;
2. Мониторы;
3. DVI-сплиттер;
4. Сервер-ретранслятор;
5. Удаленный персональный компьютер пользователя.

Рис. 2 - Структура АПК

Принцип функционирования предложенной схемы следующий. Электронный микроскоп управляется встроенным персональным компьютером посредством воздействия с помощью мыши и клавиатуры на элементы графического интерфейса управляющего приложения микроскопа, наблюдаемые оператором на дисплеях 1 и 2.

Таким образом, если передать изображение графического интерфейса удаленному пользователю, то у него возникнет полная иллюзия прямой работы с электронным микроскопом. Реализация этого подхода обеспечивается «перехватом» видеоизображения с дисплея микроскопа посредством DVI-сплиттера и устройства видеозахвата. Далее это изображение отображается в полноэкранном режиме на окне вывода сервера-ретранслятора, откуда посредством системы удаленного администрирования отправляется на компьютер удаленного пользователя.

Понятно, что такой подход обладает определенными недостатками, связанными с задержками, вносимыми каналами передачи данных.

Вместе с тем, это является практически единственным возможным техническим решением в сложившейся ситуации и при этом обеспечивается безопасная эксплуатация электронного микроскопа за счет того, что нет внешнего вмешательства в аппаратно-программное обеспечение микроскопа.

Мультимедийные симуляторы – симулятор электронного микроскопа и симулятор нанолитографа

Спроектированный симулятор предназначен для ознакомления обучаемого с внешним видом, устройством, режимами работы оборудования или интерфейсом программно-аппаратной среды моделирования учебно-научного комплекса. Вид окна симулятора электронного микроскопа представлен на рис. 3. Симулятор имеет интерфейс полностью идентичный реальному интерфейсу программного обеспечения реального оборудования. А для облегчения доступа к симулятору сама графическая оболочка, написанная с помощью HTML+JS и не требует дополнительных действий при запуске на браузере клиента. Симулятор функционирует полностью на стороне клиента, и подгружает ресурсы связанные с экспериментами с сервера обычными GET-запросами. При его реализации использованы свобоные JS-плагины JQuery, JQuery.Clue. Использование HTML + Java Script позволяет значительно увеличить производительность работы симулятора, при этом наилучшая производительность осуществляется при использовании браузеров Chrome (Google Browser), а Opera и IE могут «затормаживать» работу учебно-научного комплекса. Симулятор снабжен всплывающими подсказками и интерактивным анимированным контентом, небходимым для ознакомления с работой установки Raith 150 TWO. При это, прежде чем приступить к растровому электронному сканированию, симулятор предлагает ознакомиться с процессом загрузки и выгрузки образца в/из сверхвысоковакуумной камеры.

Рис. 3 - Окно симулятора

Сетевой адрес системы

Сетевой адрес системы удаленного доступа к автоэмиссионному растровому электронному микроскопу с приставкой для нанолитографии Raith 150 TWO http://cyber.mephi.ru:3615. Всем пользователям системы необходимо пройти предварительную регистрацию и проверку у администратора прибора. Также симуляторы расположены на сайте исполнителя ННС по адресу: http://www.nano-obr.ru/course/view.php?id=427 .

ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»