Введение в наноинженерию Наноинженерия —

Введение в наноинженерию

• Наноинженерия - инженерная деятельность человека, связанная с наноразмерными объектами и с объектами, характеризующимися размерными рядами в десятки или единицы нанометров, создающимися методами нанотехнологий.

№ Направление Содержание 1 Наноинженерия в приборостроении Наноинженерия в машиностроении Инженерная деятельность человека, связанная с наноразмерными объектами, а также с объектами, создающимися методами нанотехнологий и объектами имеющими размерные цепи с величинами порядка единиц - десятков нанометров. 2 Микро- и наноэлектромеханические системы Технологии и устройства, объединяющие в себе микро- и наноэлектронные и микро- и наномеханические компоненты 3 Нанооптика Раздел оптики, в которой изучаются взаимодействия излучения наноразмерных полей с атомами, молекулами и нанотелами 4 Наносенсорика Создание систем, чувствительных к очень малым концентрациям примесей 5 Интерфейсы и транспорты наносистем Способы и методы взаимодействия наносистем с другими системами (компьютерами, биосистемами и т. д. ) 6 Энергетика наносистем Технологии энергообеспечения наносистем 7 Элементная база наносистем Создание наноэлектронных функциональных компонентов 8 Микроскопия наносистем Способы глубинного исследования наносистем 9 Проектирование и формирование наноструктур Процессы разработки, производства и контроля производства наносистем 10 Комплекс испытаний, сертификации и метрологических исследований наносистем Испытания, метрологическое и методическое обеспечение наноинженерии

Наноэлектроника Производство полупроводников

Наноэлектроника • • Гибкая прозрачная электроника из ориентированных углеродных нанотрубок Разработка гибких и прозрачных материалов для электроники привлекает особое внимание, так как подобные материалы немедленно находят себе массу важных применений. Гибкие прозрачные транзисторы необходимы для создания электронной бумаги, умных тканей, гибких дисплеев и многого другого. Углеродные нанотрубки как нельзя лучше подходят для изготовления гибких электронных устройств. Они обладают подходящими механическими свойствами, характеризуются большой подвижностью носителей и в тонком слое совершенно прозрачны. Ориентированные одностенные нанотрубки были выращены на кварцевой подложке и перенесены на стекло или полимер. Процесс не требует высоких температур (до 130 °С) и поэтому может быть использован для получения массивов транзисторов на различных полимерах. Электродами стока и истока в транзисторах служат контакты из оксида индия или олова толщиной 100 нанометров, а роль затвора выполняет оксидная пленка под слоем диэлектрика (2 мкм). Нанотрубки замыкают сток и исток, а их количество составляет 2 -3 штуки на микрон. Для видимого света прозрачность устройств составляет 80 %. Подвижность носителей для некоторых устройств достигает 1300 см 2 В-1 с-1, что является рекордом для гибкой электроники. Высокая подвижность позволит снизить управляющее напряжение, сократить расход энергии и увеличить быстродействие. Однако пока напряжение затвора велико вследствие наличия толстого слоя диэлектрика. Исследователи изготовили на основе нанотрубочных транзисторов образцы гибких и прозрачных логических элементов, а также использовали транзистор для управления яркостью светодиода. Работа «Transparent Electronics Based on Transfer Printed Aligned Carbon Nanotubes on Rigid and Flexible Substrates» опубликована в журнале ACS Nano. Источник: http: //www. nanometer. ru/2008/12/24/gibkaa_elektronika_55077. html

Наноэлектроника Графен

Жидкий кристалл

Фуллерены • Фуллерены - это высокомолекулярные аллотропные формы углерода, названные так в честь архитектора и инженера Ричарда Бакминстера Фуллера, активно использовавшего в своем творчестве многогранники. Молекулы фуллеренов представляют собой замкнутые многогранники, объединяющие от 60 и, возможно, до 400 трехкоординированных атомов углерода, число атомов всегда четное. • Впервые фуллерены были получены в 1985 году при лазерном облучении паров углерода. За открытие фуллеренов исследователи Крото, Керл и Смолли получили Нобелевскую премию

Фуллерены - особая форма углерода, которая вначале была открыта в научных лабораториях при попытке моделировать процессы, происходящие в космосе, а позднее обнаружена в земной коре. • Атомы углерода в кристаллической структуре графита формируют шестиугольные кольца, образующие, в свою очередь, прочную и стабильную сетку, похожую на пчелиные соты. Сетки располагаются друг над другом слоями, которые слабо связаны между собой. • Фуллерен является новой формой углерода. Уникальность фуллерена в том, что молекула С 60 содержит фрагменты с пятикратной симметрией (пентагоны), которые запрещены природой для неорганических соединений. Молекула фуллерена является органической молекулой.

Фуллерены • • Молекулы высших фуллеренов С 70, С 74, С 76, С 84 , С 164, С 192, С 216, также имеют форму замкнутой поверхности. Фуллерены с n< 60 оказались неустойчивыми, хотя из чисто топологических соображений наименьшим возможным фуллереном является правильный додекаэдр С 20. Применение: • очень эффективным является использование фуллерена в качестве автомобильной присадки. Будучи добавленным в качестве присадки в моторное масло, он способствует созданию идеальной масляной пленки на деталях двигателя, в несколько раз более прочной, чем обычная масляная, продлевая таким образом срок его службы. • Фуллерен легко проникает через клеточную мембрану и может быть использован в качестве транспорта для лекарственных веществ. Помимо прочего, фуллерен ускоряет процесс заживления ран. • Полимеры, полученные на основе фуллерена , обладают повышенной прочностью и износоустойчивостью, а также плохо пропускают волны и излучения любой природы.

Фуллерены Применение • Растворы фуллеренов в неполярных растворителях (сероуглерод, толуол, бензол, тетрахлорметан, декан, гексан, пентан) характеризуются нелинейными оптическими свойствами, что проявляется, в частности, в резком снижении прозрачности раствора при определенных условиях. Это ＾ӿＺӿыＲӿет возможность использования фуллеренов в качестве основы оптических затворов- ограничителей интенсивности лазерного излучения. • Пленка С 76 является эффективным катализатором при нанесении искусственных алмазных покрытий из углеродной плазмы.

Нанотрубки В 1991 году японский ученый Сумио Иидзима обнаружил длинные углеродные структуры, получившие название нанотрубок В реальных условиях трубки нередко Различают получаются многослойными, -прямые нанотрубки то есть представляют собой несколько «кресло» или «зубчатые» однослойных нанотрубок, (armchair), вложеных одна в другую (так называемые зигзагообразные (zigzag) , "матрешки") -спиральные нанотрубки _____________________________ * S. Iijima, Helical microtubules of graphitic carbon, Nature. 354 56 (1991).

Применение нанотрубок В 2001 году компания IBM первой изготовила полевой транзистор, в котором роль канала проводимости выполняет углеродная нанотрубка. Подобная конструкция транзистора позволяет уменьшить низкочастотный шум и уменьшить гистерезис изменения потенциала затвора. Учёные из Политехнического института Ренселлера (Rensselaer Polytechnic Institute) (США, г. Трой) и Университета Оулу (University of Oulu) (Финляндия, г. Оулу) сообщили о создании радиатора на основе нанотрубок и исследовании его охлаждающих свойств. Учёным удалось вырастить массив из ста нанотрубок, каждая из которых имеет длину 1, 2 мм. Затем массив разместили на тестовом чипе термометра. Оказалось, что использование мини-радиатора на основе нанотрубок позволяет повысить эффективность охлаждения микросхем на 11% по сравнению с «самоохлаждением» чипа. В случае использования потока азота повышение эффективности охлаждения достигло отметки 19%.

Применение нанотрубок Физики из Великобритании и Италии создали метаматериал с использованием однослойных углеродных нанотрубок. Метаматериалами называют композитные материалы, характеристики которых во многом зависят от их микроструктуры. При взаимодействии с электромагнитным излучением они проявляют свойства, нехарактерные для объектов природного происхождения (к примеру, отрицательный коэффициент преломления). В настоящее время метаматериалы используют для создания опытных образцов разнообразных маскирующих устройств и «суперлинз» , которые преодолевают дифракционный предел. Метаматериалы описанной структуры принято называть плазмонными, поскольку их свойства определяют поверхностные плазмоны — квазичастицы, связанные с коллективными колебаниями свободного электронного газа на границе раздела сред.

Применение нанотрубок Идея создания энергонезависимой памяти на основе углеродных нанотрубок не нова. Работа учёных Калифорнийского Университета (University of California) позволяет сократить цикл записи-чтения примерно до 0, 01 нс. В качестве ячеек памяти ученые предлагают использовать новые «гибриды» , представляющие собой нанотрубку меньшего размера, вставленную в большую по диаметру нанотрубку. Такая телескопическая конструкция позволяет меньшей нанотрубке свободно двигаться внутри большей. Так реализуется переключение состояния логическая « 1» - логический « 0» . После снятия напряжения на системе нанотрубка остается в этом состоянии.

Применение нанотрубок • • Эластичный материал с уникальными свойствами получила группа Мин Сюй (Ming Xu) из японского института передовых прикладных наук и технологии (AIST). Химики пытались усовершенствовать технологию выращивания вертикальных нанотрубок (методом осаждения из пара). В одном из экспериментов добавление катализаторов привело к образованию сети хаотично соединённых между собой проводков. • Учёные исследовали свойства нового материала и выяснили, что при комнатной температуре он похож на кремнийорганический каучук. Однако, в отличие от этого широко используемого материала нанотрубочная резина не разрушается при высоких температурах и не становится хрупкой при низких: отличные усталостные характеристики сохранялись в диапазоне от -196 °C до 1000 °C.

Применение нанотрубок • • • Группа Александра Ярина (Alexander Yarin) из Университета Иллинойса разработала метод заполнения углеродных нанотрубок жидкостями при комнатной температуре. Вода втягивается внутрь нанотрубок за счет диффузии, далее полость нанотрубок заполняют толуольным раствором полимера. В результате вода оказывается «запертой» внутри полости нанотрубки. Методика может оказаться полезной не только для биомедицины, но и для таких областей как катализ, оптоэлектроника и разработка сенсоров.

Применение нанотрубок • • Довольно необычное применение нанотрубкам нашли и хотят использовать исследователи из института Rensselaer Polytechnic Institute (США, г. Трой). Созрела идея создать встраиваемое в кожу человека устройство, толщиной менее человеческого волоса, которое бы служило в роли татуировки, но не обычной, а многоразовой. Этого планируется достичь благодаря использованию «нанодисплея» , который бы смог отображать любые картинки, даже в обесточенном состоянии. Более того, в теории такое тату может быть даже анимированным. На нем могут быть как жизненно необходимые вещи, отображающие медицинские данные человека, так и разного рода «нательные» сообщения другим людям с целью коммуникаций или самовыражения.

Полупроводниковая электроника • • Полупроводниковые приборы Полупроводниковый диод Биполярный транзистор Полевой транзистор

• • • Пленочный фоторезист Фоторезист светочувствительный материал, используемый для переноса рисунка. Наносится на обрабатываемый материал в процессе фотолитографии или фотогравировки с целью получить соответствующее фотошаблону расположение окон для доступа травящих или иных веществ к поверхности обрабатываемого материала. В фотолитографической технологии различают негативные, позитивные, многослойные и неорганические фоторезисты. Применение резистов позволяет создавать микроизделия с размерами элементов значительно менее 1 мкм на существующих оптических литографических установках.

Технологии производства микросхем Общие сведения о микросхемах и технологии их изготовления • • Микросхемой (интегральной микросхемой - ИМС, интегральной схемой - ИС) называют функционально законченный электронный узел (модуль), элементы и соединения в котором конструктивно неразделимы и изготовлены одновременно в едином технологическом процессе в общем кристалле-основании. По конструктивно-технологическому исполнению микросхемы делятся на полупроводниковые и гибридно-пленочные. Степень интеграции микросхемы: По этому параметру все микросхемы условно делят на малые (МИС – до 102 элементов на кристалл), средние (СИС – до 103), большие (БИС – до 104), сверхбольшие (СБИС – до 106), ультрабольшие (УБИС – до 109) и гигабольшие (ГБИС – более 109 элементов на кристалл).

Укрупненная схема технологического процесса изготовления полупроводниковых (монолитных) ИС.

Укрупненная схема технологического процесса изготовления гибридно-пленочных ИС.

Изготовление монокристалла полупроводникового материала

Разрезание монокристалла и получение пластин • • Разрезку монокристаллов на пластины осуществляют чаще всего абразивными дисками с режущей кромкой, покрытой алмазной крошкой размером 40… 60 мкм. Толщина режущей алмазной кромки диска 0, 18… 0, 20 мм, при этом ширина реза получается 0, 25… 0, 35 мм. Так как на поверхности пластин остаются царапины, сколы, трещины и другие дефекты, нарушающие однородность структуры поверхностного слоя, их шлифуют, травят и полируют. При шлифовании достигается неплоскопараллельность пластин не более 3 мкм и прогиб по поверхности не более 10 мкм. При травлении удаляется нарушенный слой толщиной 5… 30 мкм и снимаются внутренние напряжения, возникшие в процессе шлифования. Окончательная тонкая доводка поверхности пластин производится полированием абразивными порошками или пастами, а затем химикомеханическим способом с применением суспензий, золей и гелей. В результате получают полупроводниковую пластину диаметром 20… 250 мм толщиной от десятков до нескольких сотен микрометров с шероховатостью обработанной поверхности не более 0, 04 мкм.

Изготовление фотошаблонов • • • Фотошаблоны широко применяются в технологии интегральных микросхем как на стадии формирования активных элементов в полупроводниковом материале, так и при создании пассивных элементов и межсоединений. Фотошаблон – стеклянная пластина (подложка) с нанесенным на ее поверхности маскирующим слоем – покрытием, образующим трафарет с прозрачными и непрозрачными для оптического излучения участками. В процессе фотолитографии слой фоторезиста экспонируется в соответствии с рисунком покрытия, имеющегося на фотошаблоне.

Фотолитография Схема процесса фотолитографии

Полупроводниковые микросхемы. Понятие о структуре и топологии Рис. 4. Фрагмент интегральной микросхемы: а – структура; б – топология. 1 – исходная монокристаллическая пластина – подложка; 2 – открытый слой; 3 -эпитаксиальный слой (он же коллекторный); 4 – разделительный слой; 5 – базовый слой; 6 – эмиттерный слой; 7 – изолирующий слой с контактными окнами; 8 – слой металлизации; 9 – защитный слой (обычно Si. O 2).

Цикл формирования топологических слоёв 1 2 3 4 Последовательность формирования топологического слоя в объеме кристалла: 1 - окисление поверхности; 2 - фотолитография; 3 - внедрение примеси; 4 - стравливание окисла.

Условия возникновения p-n-перехода Принцип образования p-n-перехода Nисх –исходная концентрация примеси Хn – глубина p-n перехода, N 0 - максимальная концентрация примеси

Термическая диффузия - уравнение диффузии Температурная зависимость коэффициента диффузии фосфора и бора в кремний, Nисх и N 0 - исходная и поверхностная концентрации примеси

Диффузия из постоянного внешнего источника Характер изменения профиля распределения примеси с течением времени приведен на рисунке. , из которого видно, что с течением времени p-n-переход углубляется. Для вычисления необходимого времени ведения процесса технологу должны быть заданы разработчиком физической структуры параметры Xn, N 0 и Nисх.

Рабочая камера диффузионной печи Схема рабочей камеры диффузионной печи.

Легирование методом ионной имплантации Принцип легирования ионной имплантацией

Рабочая камера установки ионной имплантации

Проектирование полупроводниковых резисторов в ИМС

Совмещение и экспонирование Совмещение фотошаблона с пластиной: а - общая схема совмещения: 1 - групповой фотошаблон; 2 - модули для грубого совмещения; 3 - базовый срез на пластине для предварительной ориентации; 4 - групповая пластина; 5 - знак совмещения в модуле пластины; 6 - знак совмещения в модуле шаблона; б- схема для расчета зазора между знаками совмещения.

• Фотонный кристалл — это материал, структура которого характеризуется периодическим изменением показателя преломления в пространственных направлениях Изображение поперечного среза фотонно-кристаллического волокна Фотонно-кристаллическое волокно (ФКВ)– это оптическое волокно (ОВ), оболочка которого имеет структуру двумерного фотонного кристалла. Благодаря такой структуре оболочки открываются новые возможности управления в широком диапазоне дисперсионными свойствами волокон и степенью локализации электромагнитного излучения в направляемых волноводных модах. В большинстве случаев для создания ФКВ используют стекло или кварц с отверстиями, заполненными воздухом. Часть отверстий может быть заполнена другими газами или жидкостями, в том числе жидкими кристаллами. Реже используются ФКВ, образованные двумя различными видами стекла, показатели преломления которых сильно отличаются друг от друга. Иногда термин фотонно-кристаллическое волокно используется в более широком значении – им обозначают почти все типы волокон со сложной структурой оболочки, в том числе микроструктурированное и наноструктурированное волокно, а также брэгговское и дырчатое волокно. Очень перспективно использование ФКВ для преобразования длины световой волны, для создания устройств оптической обработки сигналов, для транспортировки мощного светового излучения и для решения многих других задач.