Многофункциональный нанотехнологический комплекс «Нанофаб» нтк -5 Научно-образовательный семинар- 2 часа
| Вид материала | Семинар |
- Один день в торгово-развлекательном комплексе, 26.55kb.
- Научно- образовательный комплекс «Санкт-Петербургский физико-технический Научно образовательный, 47.64kb.
- Площадь Александра Невского, Площадь Восстания Многофункциональный мультимедийный центр, 21.78kb.
- Комплекс зданий "Теплые ряды"(ул. Ильинка,д. 3/8,строение 1) Многофункциональный комплекс, 209.18kb.
- Экономики, 146.85kb.
- Семинар проводится, 45.94kb.
- Применение методов математической оптимизации в электроэнергетике Научно-образовательный, 20.69kb.
- Реферат Отчет 119 с., 8 рис., 9 табл., 33 источника, 84.92kb.
- Научно-образовательный комплекс по специальности 050802 «Зоотехния» учебно-методический, 694.23kb.
- Департамент образования, 36.67kb.
Департамент образования города Москвы
Некоммерческая организация «Ассоциация московских вузов»
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
Научно-образовательный материал
«Зондовая микроскопия и нанотехнология»
2010
«Программа занятий по направлению Зондовая микроскопия и нанотехнология»
| Тема | Вид занятия |
| 1. Многофункциональный нанотехнологический комплекс «Нанофаб» НТК -5 | Научно-образовательный семинар- 2 часа |
| 2. Молекулярно-лучевая эпитаксия. | Научно-образовательный семинар- 2 часа |
| 3. Ионное травление. | Научно-образовательный семинар- 2 часа |
| 4. Атомно – силовая микроскопия. | Научно-образовательный семинар- 2 часа |
| 5. Туннельная микроскопия. | Научно-образовательный семинар- 2 часа |
| 6. Установка формирования элементов наноэлектроники. | Научно-образовательный семинар- 2 часа |
| 7. Электронный нос. Перспективы и реальность. | Научно-образовательный семинар- 2 часа |
| 8. Измеритель параметров сенсорных структур. | Научно-образовательный семинар- 2 часа |
| 9. Сорбометрия. | Научно-образовательный семинар- 2 часа |
| 9. Установка магнетронного напыления металлов. | Научно-образовательный семинар- 2 часа |
Многофункциональный нанотехнологический комплекс «Нанофаб» НТК - 5
В последние десятилетия 20 и первое десятилетие 21 века электроника переживает бурный подъем. Процессоры становятся все быстрее и содержат все большее число элементов. Похожими темпами развиваются и твердотельные запоминающие устройства: флэш-память, оперативная память и т.д. Кроме того, широкое распространение получили различные миниатюрные чувствительные устройства: датчики положения, температуры, фотоприемники, датчики наличия вредных газов и так далее.
Важнейшую роль в создании современных устройств микроэлектроники является исследование поверхности кремниевых пластин и других материалов на которых создаются микроэлектронные приборы. Дело в том, что большинство микроэлектронных устройств создаются нанесением и удалением тонких слоев полупроводников, диэлектриков и металлов. И с уменьшением величины отдельного элемента микросхемы чрезвычайно важным становится контроль неровностей этих слоев.
Особенно важно контролировать неровности материала при переходе к технологиям наноэлектроники, где манипуляции с веществом должны осуществляться на молекулярном и атомарном уровнях. Для таких манипуляций создаются сложнейшие приборы и одним из бурно развивающихся направлений в разработке таких приборов является создание кластерных систем. Преимущество таких систем заключается в том, что все операции выполняются в едином герметичном объеме и из процесса создания элементов электроники устраняется контакт с человеком и окружающей средой. НанотехнологическиЙ комплекс «Нанофаб» - современнейший прибор, с помощью которого ученые постигают тайны микромира и учатся манипулировать веществом на уровне молекул и атомов, по кирпичику создавая новейшие устройства микро и наноэлектроники. В комплексе Нанофаб реализуется замкнутый цикл создания устройств микро и наноэлектроники.
Камера молекулярно-лучевой эпитаксии
Камера молекулярно-лучевой эпитаксии используется для роста тонких эпитаксиальных слоев полупроводников (Здесь можно создавать устройства микро и наноэлектроники на гетероструктурах.) Формирование эпитаксиальной пленки происходит следующим образом: напротив нагретой до температуры роста подложки находятся тигли с нагретыми до температуры испарения материалами. Молекулярные потоки из тиглей беспрепятственно летят на подложку и формируют там кристаллическую структуру слой за слоем.
Формирование гетероструктур на основе тонких эпитаксиальных пленок позволяет изучать квантовые эффекты и создавать устройства на основе этих эффектов. Такие устройства отличаются высоким быстродействием, повышенной радиационной и химической стойкостью, что позволяет работать в агрессивных средах.
Для анализа и исследования электрофизических свойств поверхности выращенных структур используется сверхвысоковакуумный зондовый микроскоп. В нем сочетаются все методики СТМ и АСМ. Особенностью вакуумного модуля СЗМ является высокая чистота поверхности (отсутствие загрязнений, имеющихся в воздухе и окисла), а также высокая добротность зонда в вакууме(?), которая более чем в 100 раз лучше, чем у АСМ на воздухе.
Камера фокусированного ионного пучка
Для формирования наноразмерных элементов для СВЧ интегральных микросхем используется передовой метод модификации пленок фокусированным ионным пучком. Ионы галлия формируются из жидкометаллического источника, разгоняются напряжением 30 кВ и с помощью системы электростатических линз фокусируются в пучок диаметром до 7 нм. Ионы с большой энергией выбивают атомы с поверхности пленки тем самым образуя требуемый нанорельеф. ФИП хорошая альтернатива традиционной оптической литографии, т.к. не требует нанесения и удаление фоторезиста. (То есть исключает загрязнение поверхности пленки химией.) Благодаря образованию вторичных электронов в области воздействия ионным пучком мы можем видеть изображение модифицированной нами поверхности.
Но так как при получении изображения происходит травление пленки, то для неразрушающей визуализации поверхности используется сканирующий электронный микроскоп. Он находится в том же модуле, что и ФИП.
Потом готовую пластину с электронными устройствами нужно всего лишь извлечь из комплекса и разрезать на отдельные чипы.
Атомно – силовой микроскоп (Solver P 47)
Прибором, позволяющим исследовать поверхность с точностью вплоть до атомарной является сканирующий зондовый микроскоп. Принцип действия этого микроскопа заключается в ощупывании поверхности тончайшей иглой, подобно тому, как слепой ощупывает перед собой дорогу чтобы сориентироваться. Существует два основных вида сканирующих зондовых микроскопов: сканирующий туннельный микроскоп, который является исторически первым видом зондовых микроскопов. Туннельный микроскоп предназначен для исследования проводящих материалов. Вторым видом является атомно – силовой микроскоп. Он предназначен для исследования всех видов материалов, как проводящих, так и непроводящих. Преимуществом туннельного микроскопа является возможность получения атомного разрешения поверхности даже при работе прибора на воздухе. В случае атомно – силового микроскопа разрешение несколько ниже и возможность визуализации поверхности вплоть до отдельных атомов реализуется только при помещении прибора в сверхвысокий вакуум. Однако атомно – силовой микроскоп позволяет работать с непроводящими материалами и, что весьма важно, с биологическими объектами: клетками, вирусами и т.д. Это сильно расширяет возможности зондовой микроскопии и открывает перед учёными новые горизонты в понимании особенностей микромира.
Для исследования поверхности в атомно-силовом микроскопе используется маленькая игла из кремния с размерами острия порядка 10 нм, что примерно в 5 тысяч раз меньше диаметра человеческого волоса. Когда игла приближается к поверхности на микромасштабах начинают действовать силы межмолекулярного взаимодействия, называемые еще силы Ван-дер-Ваальса. В зависимости от близости острия иглы к поверхности она будет или притягиваться или отталкиваться. Именно по притягиванию и отталкиванию иглы мы можем судить о рельефе поверхности. Игла закреплена на кремниевой балке. Балка вместе с иглой называется кантилевер. При работе с микроскопом игла помещается в спецальный держатель с сканирующей головке.
После этого исследуемый образец устанавливается на специальный столик, который устанавливается в микроскоп. Далее сканирующая головка устанавливается над образцом. При этом игла направлена острием вниз.
Для того, чтобы включить систему обратной связи, благодаря которой происходит отслеживание перемещений кантилевера, нужно навести луч лазера на поверхность балки кантилевера. После наведения проводится операция подвода образца к зонду на расстояние порядка нескольких нанометров и запускается процесс сканирования.
Сканирующий туннельный микроскоп (Solver P 47 с туннельной приставкой)
В сканирующем туннельном микроскопе используется несколько другой принцип. Атомарно острая игла, изготовленная из платино – иридиевой проволоки закрепляется в специальном держателе. После этого производится подвод иглы к проводящему образцу. На иглу подается некоторое напряжение, а образец заземлен. Когда расстояние между кончиком иглы и образцом становится порядка нескольких ангстрем (в 50000 раз меньше чем толщина волоса) между иглой и образцом возникает туннельный ток. Туннельный ток – чисто квантовое явление, возникающее из-за косрпускулярно – волновой природы электрона. Проводя аналогию можно сказать, что небольшой зазор между кончиком иглы и поверхностью образца – это как стенка (по научному это называется потенциальный барьер). У электрона в силу его природы и законов микромира, описываемых квантовой механикой, существует некоторая вероятность оказаться на другой стороне потенциального барьера – стенки. Чем меньше расстояние между иглой и образцом, тем больше электронов может пройти через барьер, тем больше ток. Величина туннельного тока сильно зависит от величины барьера, благодаря чему и возможно отслеживать рельеф поверхности образца измеряя туннельный ток.
Потом с помощью специальной программы мы можем построить изображение поверхности по полученным данным. А также провести анализ этого изображения и, например, сохранить в виде картинки изображение поверхности.
Установка формирования элементов наноэлектроники.
Переход от наноматериалов к элементам на их основе является сложным процессом. Кроме того, для плавного перехода от микро к наноэлектронике важно в первое время совместить традиционные технологии, такие как фотолитография, плазмохимическое травление, процессы легирования кремния и т.д. В установке формирования элементов наноэлектроники реализован именно такой подход.
Идея заключается в использовании готового рисунка токопроводящих дорожек на кристалле кремния для создания между ними мостиков из углеродных нанотрубок. Мостики из углеродных нанотрубок могут использоваться для создания например транзисторов или химических сенсоров. Для создания мостиков из нанотрубок применяются методики электро- и диэлектрофореза. Их суть заключается в том, что нанотрубки, как и многие другие наноматериалы могут двигаться в электрическом поле, т.к. обладают характеристикой называемой дипольный момент. Если капнуть немного раствора на область между электродами, то там возникнет электрическое поле и наноразмерные частицы или нанотрубки выстраиваются вдоль линий напряженности поля. В зависимости от типа наноматериала можно использовать электро- и диэлектрофорез. Диэлектрофорез используется в случае материалов у которых имеется собственный дипольный момент. В других случаях используется электрофорез
Кристаллы предварительно создаются методом фотолитографии. Задается необходимый рисунок токопроводящих дорожек и материалы, из которых они выполняются.
Установка электрофореза состоит из генератора сигналов, усилителя, электронного осциллографа, зондовой установки с оптическим микроскопом, куда устанавливается будущее наноэлектронное устройство и персонального компьютера с помощью которого осуществляется управление установкой.
Кроме того, в систему включен измеритель параметров полупроводниковых приборов, с помощью которого можно произвести быстрый анализ электрических характеристик полученных элементов.
Измеритель параметров сенсорных структур
Одним из бурно развивающихся направлении в микро- и наноэлектронике является создание сенсорных устройств. Существуют различные типы таких устройств: акселерометры (датчики ускорения), фотоприемники, химические сенсоры и другие устройства.
Измеритель параметров сенсоров предназначен для исследования чувствительности химических сенсоров к различным примесям в воздухе.
Измеритель состоит из камеры, в которую устанавливаются исследуемые сенсоры, электронного блока управления, датчика температуры и влажности, настроенного в условиях производства и из компьютера с программой управления.
Ко входу в измерительную камеру подключается источник газа или парогазовой смеси. На выходе системы установлен насос, который обеспечивает подачу газа или парогазовой смеси в камеру.
После этого запускается программа управления.
После включения насоса и начала подачи газа в измерительную камеру программа начинает регистрировать зависимость сопротивления исследуемых сенсоров от времени.
Далее открывается перепускной клапан и начинается подача газа в измерительную камеру.
В после того как началась подача газа в измерительную камеру показания исследуемого сенсора начинают меняться, т.к. атомы или молекулы газов или парогазовой смеси адсорбируются на чувствительный слой сенсора, меняя его сопротивление. После того как в систему подано определенное количество газа, клапан закрывается и начинается процесс десорбции.
Такие эксперименты позволяют оценить как чувствительность сенсоров к различным газам, так и время отклика на наличие газа и время его десорбции. То есть того, что определяет быстродействие сенсора. Быстродействие важно в тех случаях, когда необходимо быстро оценить степень загрязнения окружающего воздуха и пригодность его для дыхания.
Сорбтометр
В современном мире существует огромное количество техники, такой как мобильные телефоны, плееры, ноутбуки, фонарики, радиоприемники и так далее, питающейся от батарей или аккумуляторов. Одним из важнейших параметров для таких приборов является время автономной работы, а значит емкость аккумуляторов. Одним из путей увеличения емкости батарей является увеличение площади поверхности контакта электродов и электролита. Для исследований пористости вещества используется прибор сорбтометр.
Основной блок прибора имеет возможность нагрева и отжига образца до температур от минус 196 °С до 300 °С.
Для измерения поверхности вещества нужно проделать следующие операции:
взять определенное количество вещества и поместить его в станцию подготовки образца, имеющуюся в составе прибора.
Провести отжиг образца для того чтобы удалить молекулы веществ, которые могли адсорбироваться на образец. Благодаря этой операции улучшается точность измерений
После отжига образец помещается в измерительный порт и охлаждается в жидком азоте. Охлаждение необходимо для запуска процесса адсорбции азота на поверхность вещества.
Далее в камеру с образцом подается смесь азота и гелия. При этом происходит адсорбция азота на поверхность образца. После этого образец нагревается и происходит десорбция азота с поверхности образца. Измеряется объем десорбированного азота с помощью детектора теплопроводности. Объем десорбированного характеризует удельную поверхность вещества и объем пор.
Для управления сорбтометром используется персональный компьютер с помощью которого можно визуализировать результат в виде графиков а также помещать полученные результаты в специальные базы данных.
Кроме того, необходимым дополнительным оборудованием для сорбтометра являются высокоточные электронные весы. Электронные весы используются для определения массы исследуемого вещества. Измерение массы вещества необходимо в дальнейшем для точного определения поверхности приходящейся на исследуемое вещество.
Установка магнетронного напыления металлов.
Установка позволяет формировать металлические пленки наноразмерной толщины. Эти пленки используются в дальнейшем как слои металлизации в интегральных схемах, катализаторы при росте углеродных нанотрубок и графенов, защитные покрытия, чувствительные пленки в газовых датчиках.
Мишень из требуемого металла находится в магнитном поле. С помощью плазмы, получаемой за счет электроразряда в атмосфере аргона с поверхности мишени вылетают атомы, которые осаждаются на поверхность пластины формируя нужную пленку. Пластины находятся на некотором удалении от мишени. Камера вакуумируется.
Установка катодного распыления углерода позволяет создавать углеродные пленки наноразмерной толщины. Эти пленки находят применение при синтезе новых материалов, таких как наноалмазы, графитовые пленки сверхмалой толщины и углеродных контактов в разводке схем.
Принцип работы заключается в пропускании большого тока через углеродный стержень. При этом происходит испарение углероды из стержня с дальнейшим осаждением на подложку.