Учебная программа Материалы и методы нанотехнологии

Учебная программа дисциплины

СД.Ф.03 Материалы и методы нанотехнологии

направление подготовки 210600 – нанотехнология 

дипломированных специалистов

по специальности 210601 – нанотехнология в электронике

и бакалавров техники и технологий

 1. Область применения

Данная дисциплина относится к дисциплинам регионального компонента, преподается в течение 7-8 семестров.

 2. Цели и задачи дисциплины

Основная цель изучаемой дисциплины – дать представление о предельных возможностях микротехнологий, об основных направлениях развития современной нанотехнологии, о материалах и методах нанотехнологий применительно к созданию элементной базы наноэлектроники, квантовых приборов и устройств.

В задачи изучаемой дисциплины входит изучение основных технологических процессов, с помощью которых в настоящее время создаются наноразмерные элементы и структуры, а также представление о наиболее эффективных методах контроля параметров и свойств формируемых наноразмерных объектов.

 3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины

(требования к знаниям, умениям и навыкам, приобретенным в результате изучения дисциплины)

Курс «Материалы и методы нанотехнологий» относится к одной из наиболее быстро развивающихся отраслей знаний и базируется на достижениях квантовой теории, физики твердого тела, физики полупроводников. Курс рассчитан на студентов, овладевших базовыми представлениями о квантово-размерных эффектах, особенностями их реализации на известных материалах и структурах, а также реально представляющих существующие в настоящее время и потенциальные проблемы при дальнейшем развитии направления.

 В результате изучения дисциплины студент должен: 

Знать и уметь использовать

- физическую сущность процессов, протекающих при реализации нанотехнологий, возможности и характеристики материалов, используемых в нанотехнологиях.

Иметь представления

-      об основных технологических процессах, с помощью которых в настоящее время создаются наноразмерные (квантоворазмерные) элементы и структуры;

-      о наноматералах, используемых в технологических процессах;

-      о наиболее эффективных методах контроля параметров и свойств формируемых наноразмерных объектов.

Иметь навыки

-              в проведении эпитаксиальных процессов, в туннельной и атомно-силовой микроскопии, проведении зондовых нанотехнологий.

 4.Объем дисциплины и виды учебной работы

 

Виды учебной работы

Всего часов

Семестры

7

8

Общая трудоемкость дисциплины

130

 

 

Аудиторные занятия

96

 

 

Лекции

64

32

32

Практические занятия (ПЗ)

-

 

 

Семинары (С)

-

 

 

Лабораторные работы (ЛР)

32

 

32

и (или) другие виды аудиторных занятий

 

 

 

Самостоятельная работа

34

 

34

Курсовой проект (работа)

-

 

 

Расчетно-графическая работа

-

 

 

Реферат

-

 

 

и (или) другие виды самостоятельной работы

-

 

 

Вид итогового контроля (зачет, экзамен)

З, Э

 

З, Э

 5. Содержание дисциплины

5.1. Разделы дисциплины и виды занятий

№п/п

Раздел дисциплины

Лекции

ПЗ (или С)

ЛР

  1.  

Введение в нанотехнологию

*

 

 

  1.  

Наностуктурные элементы вещества

*

 

*

  1.  

Материалы на основе наноструктурных элементов

*

 

 

  1.  

Материалы электроники для нанотехнологий

*

 

 

  1.  

Основы теории зародышеобразования

*

 

 

  1.  

Механизмы эпитаксии

 

 

 

  1.  

Эпитаксиальные методы

*

 

*

  1.  

Технология двумерных гетероэпитаксиальных полупроводниковых систем

*

 

*

  1.  

Самоорганизация квантовых точек и нитей

*

 

 

  1.  

Самоорганизация нанотрубок

*

 

 

  1.  

Субмикронная литография

*

 

 

  1.  

Субмикронные технологии

*

 

 

  1.  

Физические эффекты в туннельно-зондовой нанотехнологии

*

 

 

  1.  

Формирование нанорельефа поверхности подложек

*

 

 

  1.  

Локальная модификация полупроводниковых подложек

*

 

 

  1.  

Массоперенос с нанометровым разрешением

*

 

*

  1.  

Локальное анодное окисление металлов

*

 

 

  1.  

Методы контроля наноструктур по составу, размерам, степени упорядоченности

*

 

 

5.2. Содержание разделов дисциплины

 1. Введение в нанотехнологию (НТ)

Цели и задачи НТ. Основные понятия и определения. Физические и технологические проблемы и ограничения микроминиатюризации полупроводниковых устройств. Применение методов НТ для уменьшения размеров приборов. Перспективные наноматериалы и направления нанотехнологии. Основные требования по созданию объектов наноэлектроники и нанофотоники. Представление о реализации квантово-размерных эффектов, оценка предельных геометрических величин элементов, где реализуется эффект размерного квантования (квантовые точки, квантовые проволоки, квантовые ямы).

2. Наностуктурные элементы вещества

Наноструктурные элементы вещества: атомы, молекулы, фуллерены, нанотрубки, кластеры. Квантовые точки – искусственные молекулы. Наноструктурные полимеры.

3. Материалы на основе наноструктурных элементов

Нанокристаллы, нанотрубки, наностержни и их производные. Структурные элементы для наноматериалов более высокого порядка. Углеродные нанотрубки, технология изготовления, структура  и свойства. Области применения.

4. Материалы электроники для нанотехнологий

Кремний и его модификации, в том числе кремний на изоляторе, пористый кремний. Сравнительный анализ перспектив Si, Ge, А3В5, А2В6, А4В4. Гетероструктуры (ГС) и наиболее распространенные системы полупроводниковых материалов на основе твердых растворов А3В5. Тройные и четверные соединения на основе A3B5. Материалы на основе нитридов и их применение. Проблема подложек и выращивание буферных слоев.

5. Основы теории зародышеобразования

Зародышеобразование в тонких пленках. Понятие критического зародыша. Термодинамическая теория зародышеобразования. Молекулярно-кинетическая теория зародышеобразования.

6. Механизмы эпитаксии

Гомо- и гетероэпитаксия. Механизмы гетероэпитаксиального роста: Франка-ван-дер-Верме, Фольмера-Вебера, Странски-Крастанова.

7. Эпитаксиальные методы

Физическое осаждение из паровой фазы (MBE). Получение аморфных, поликристаллических и монокристаллических пленок. Молекулярно-лучевая эпитаксия элементарных полупроводников и полупроводников на основе соединений А3В5, осаждение пленок диэлектриков и металлов.

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD): его виды, основные закономерности и методика. Эпитаксия из металлоорганических соединений и летучих неорганических гидридов (MOCVD). Наиболее распространенные системы веществ - источников компонент полупроводниковых материалов и твердых растворов. МОС-гидридная эпитаксия полупроводников на основе соединений А3В5. Особенности выращивания эпитаксиальных пленок нитридов бинарных соединений.

8. Технология двумерных гетероэпитаксиальных полупроводниковых систем

Гетероструктуры с квантовыми ямами (КЯ). Принципы выбора полупроводниковых материалов. Модуляционное и d-легирование. Гетероструктуры с высокой плотностью двумерного электронного газа (ДЭГ). Транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT-транзисторы). Сверхрешетки (СР) квантовых ям. Полупроводниковые лазеры на основе гетероструктур с квантовыми ямами.

9. Самоорганизация квантовых точек и нитей

Квантовые точки. Самоорганизованный рост по механизму Странского-Крастанова. Теория самоорганизованного роста квантовых точек. Системы полупроводниковых материалов для выращивания структур с КТ. Рост наноструктур на фасетированных плоскостях.

Трехмерные массивы когерентно-напряженных островков. Массивы вертикально-связанных КТ. Периодические структуры плоских доменов. Структуры с периодической модуляцией состава в эпитаксиальных пленках твердых растворов полупроводников. Полупроводниковые лазеры на основе гетероструктур с квантовыми точками.

10. Самоорганизация нанотрубок

Преобразование планарных напряженных гетероструктур в трехмерные, имеющие радиальную симметрию (нанотрубки). Перспективы изготовления электронных приборов с применением нанотрубок.

11. Субмикронная литография

Уменьшение размеров элементов методами традиционной планарной технологии за счет разработки, создания и применения экстремальных ультрафиолетовых источников  излучения со сверхкороткой длиной волны (13,5 нм) при процессах литографии. Источники экстремального ультрафиолета. Лазерное излучение: взаимодействие с поверхностью и применение в НТ. Лазерная абляция. Многослойные брэгговские зеркала. Резисты на основе неорганических материалов. ДВУФ-нанолитограф. Нанолитография. Электронная, ионная и рентгеновская литографии. Применение «линзы Кумахова» для нанолитографии. Маски и резисты для разных типов литографии. Сравнительный анализ перспектив ультрафиолетовой, электронной, ионной и рентгеновской литографий. Нанопечатная литография. Понятие о литографически-индуцированной самосборке наноструктур.

12. Субмикронные технологии

Ионный синтез наноструктур на поверхности и в объёме полупроводников. Формирование нанокристаллов кремния и германия в диоксиде кремния и полимерных материалах при ионной бомбардировке. Процессы самоорганизации наноструктур при ионном синтезе. Анизотропное распыление поверхности полупроводниковых материалов при воздействии ионных пучков.

13. Физические эффекты в туннельно-зондовой нанотехнологии

Электростатические эффекты, локальный тепловой нагрев, пластическая деформация, полевое испарение положительных и отрицательных ионов, пондеромоторный эффект, эффект электронного ветра. Концепция туннельно-зондовой нанотехнологии в газах и жидкостях.

14. Формирование нанорельефа поверхности подложек

Условия контактного формирования нанорельефа поверхности подложек. Требования к зондам, их защита от воздействия подложки. Условия бесконтактного формирования нанорельефа поверхности подложек. Проблема сварки электродов. Подбор материалов зонда и подложки. Расчет областей пластического течения в подложках.

15. Локальная модификация полупроводниковых подложек

Условия локальной глубинной модификации полупроводниковых подложек. Оценка порогового напряжения, глубины залегания области модификации. Условия для локальной электродинамической модификация поверхности подложек. Оценка максимального сжимающего напряжения на поверхности подложки. Оценка локального нагрева. Модификация свойств среды в зазоре между туннельным зондом и подложкой. Критическое поле для формирования молекулярных мостиков. Формирование молекулярных мостиков из адсорбата воздуха. Формирование микропроводников в жидких диэлектриках.

16. Массоперенос с нанометровым разрешением

Полевое испарение проводящих материалов с нанометровым разрешением. Оценка размытия проводящих дорожек. Основы управления массопереносом. Режим формирования острия зонда. Электрохимический массоперенос. Условия для электрохимического массопереноса. Массоперенос из газовой фазы.

17. Локальное анодное окисление металлов

Основы теории локального анодного окисления металлов на воздухе. Влияние исходной пленки окисла. Влияние влажности воздуха. Устойчивость зондов.

18. Методы контроля наноструктур по составу, размерам, степени упорядоченности

Требования к контрольно-измерительным методикам по чувствительности, пространственному разрешению, возможности проведения рутинного экспресс-контроля.

 6. Лабораторный практикум

 

№п/п

№ раздела дисциплины

Наименование лабораторных работ

1.

3

Исследование структуры углеродных нанотрубок

2.

6

Изучение основ гетероэпитаксиального роста при молекулярно-лучевой эпитаксии на примере модельной системы PbS/NaCl

3.

7

Эпитаксиальное наращивание слоев кремния методом сублимации в вакууме

4.

14

Сканирующая зондовая литография

 7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

7.1. Рекомендуемая литература

а) основная литература:

1.     Шик А.Я., Бакуева Л.Г., Мусихин С.Ф., Рыков С.А. Физика низкоразмерных систем.-СПб.: Наука, 2001.-160 с.

2.     Н.Н.Леденцов, В.М.Устинов, В.А.Щукин, П.С.Копьев, Ж.И.Алферов, Д.Бимберг. Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры //ФТП.- 1998.-Т.32, №4.- с.385-410.

3.     Драгунов В.П., Неизвестный В.А., Гридчин В.А.. Основы наноэлектроники: Учебное пособие.- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000.-332 с.

4.     Случинская И.А. Основы материаловедения и технологии полупроводников, - Москва, 2002 г. - 376 с.

5.     Пул Ч., Оуенс Ф. Нанотехнологии.-М.: Техносфера, 2004.-328 с.

6.     Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века.-М.: Техносфера, 2003.-336 с.

7.     В.К. Неволин. Основы туннельно-зондовой нанотехнологии. М.: МИЭТ,1996 -90 с.

б) дополнительная литература:

1.     М.Херман. Полупроводниковые сверхрешетки. М.: Мир, 1979.

2.     Х.Кейси, М.Паниш. Лазеры на гетероструктурах, т.1 и 2, М., Сов. радио, 1981.

3.     Ж.И. Алферов. История и будущее полупроводниковых гетероструктур //ФТП.-1998.- Т.32, №1.- с.3-18.

4.     Рыков С.А. Сканирующая зондовая микроскопия полупроводниковых материалов и наноструктур. С-П.: Наука, 2001 – 51 с.

5.   Л.Ченг, К.Плог. Молекулярно-лучевая эпитаксия. М.: Мир, 1989.

6.     Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Под ред. М.К. Роко, Р.С. Уильямса и П. Аливисатоса. – М.: Мир, 2002 – 291с.

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом по специальности 210601 - нанотехнология в электронике, направлению подготовки 210600 - нанотехнология

 Автор программы                   С. М. Планкина