Переход на стандарты третьего поколения предусматривает внедрение в учебный процесс инновационных дисциплин, отвечающихзапросам отрасли и реализующих выполнение законов Республики Казахстан.
Дисциплина «Нанотехнологии в микроэлектронике» органично сочетается и образует логичную взаимосвязанную целостность с дисциплинами по выбору студента профессионального цикла ООП бакалавриата «Вычислительная техника и программное обеспечение».
Целью дисциплины «Нанотехнологии в микроэлектронике» является формирование у студентов системы компетентных знаний в областипонятий, методов и приемов, применяемых приизучении, проектировании и производстве наноструктур, устройств и систем, включающихцеленаправленный контроль и модификации формы, размера, взаимодействия и интеграции составляющих их наномасштабных элементов, способствующих улучшению (либо появлению)дополнительных эксплуатационных и/или потребительских характеристик и свойств получаемых продуктов для микроэлектроники, ознакомление студентов с современными достижениями в области наноиндустрии и перспективами их использования. Особое внимание в дисциплине уделено формированию мировоззрения интеграциифундаментальных исследований и современныхдостижений науки и техники в области нанотехнологий в профессиональную деятельность будущих специалистов; формированию мировоззрения принятия нестандартных научнообоснованных решений при внедрении в практику производства инновационных разработок по нанотехнологиям, обеспечивающих реализацию Государственных программ и международных стандартов ИСО. Учебно – методический комплекс, в который входит курс лекцийсостоит из следующих глав.
Главы лекционного материала:
– общие определения и межотраслевая классификация нанотехнологий,
– физические основы нанотехнологий,
– принципы моделирования и методы измерений наносистем,
– применение, стадии развития и внедрения нанотехнологий в сфере микроэлектроники.
В первой главе на основе анализа международного опыта и практики в организации научных исследований, стандартизации и статистического учета приведены базовые определения нанотехнологий и проект классификации ихнаправлений. Во второй главе достаточно компактно, доступно и на высоком научном уровнепредставлена обзорно-аналитическая информация о физических основах нанотехнологий, обоснованы приоритетные направления научных исследований. Третья глава является логическим продолжением и посвящена вопросам фективности дисциплинам и будет результативной только после целенаправленногофункционирования набора изучаемых дисциплин и их содержания.Приведены и проанализированы методы и приемы, применяемые при изучении, проектировании и производстве наноструктур для нужд микроэлектроники. В четвертой главе представлены тенденции и перспективы развития нанотехнологий в микроэлектронике. Проанализированы коммерческие перспективы от внедрения нанотехнологий по секторам отрасли [1] .
Четвертая глава рассказывает о свойствах поверхности нанокристалла и электронное строение цепочки атомов. Сущность нанотехнологии заключается в манипулировании материальными объектами на молекулярном и атомарном уровне с целью создания приборов и устройств с качественно новыми характеристиками. В более широком смысле этот термин означает, что нанотехнология имеет дело с наноструктурами, физические размеры которых меньше 100 нм. Именно этот диапазон размеров характеризуется проявлением качественных отличий физических и химических свойств нанообъектов от микро- и макрообъектов, имеющих кажущееся аналогичное компонентное и структурное строение. Эти отличия вызваны двумя взаимозависимыми фундаментальными физическими условиями:
– свойства поверхности нанокристалла (объект, размеры которого меньше 100 нм) вносят заметный вклад в интегральные свойства, не приводя к существенным отличиям свойств нанокристалла по сравнению с классическими представлениями о макрообъекте;
– электронное строение цепочки (или решетки) атомов определяется граничными условиями (геометрическими или энергическими барьерами), изменяющими колебательные спектры связанных и свободных электронов и приводящих к изменению колебательного спектра атомов, составляющих материальный объект.
Таким образом, нанообъект сохраняет все свойства, обусловленные его природной структурой, и приобретает дополнительно качества, обусловленные его поверхностными свойствами (характеристиками).Отмеченные границы могут служить критериями перехода от микроскопических к мезоскопическим и наноскопическим размерам, хотя эти границы определяются характером взаимодействия между электронами и атомами решетки [2]. Тем не менее, именно это разделение микро-, мезо- и нанообъектов сегодня общепринято.
Более строгое определение нанотехнологии основывается на принципиальном положении, что в основе ее лежит квантовый характер нанообъектов и нанопроцессов и целенаправленная сборка на атомно-молекулярном уровне.
Квантовый характер нанотехнологических процессов делает технологию в высочайшей степени наукоемкой и вызывает необходимость использования методов химической физики (строение сложных молекул и молекулярных ансамблей), физики и электроники, молекулярной биологии, развития и овладения многоуровневым математическим моделированием и методами «зонной инженерии» и «инженерии волновых функций».
Основная задача сводится к созданию квантово-размерных структур с заданным электронным спектром, который определяет электрические, оптические, магнитные и другие свойства формируемых приборов.
Исходя из этой всеобщности квантового подхода, характеристика использования фундаментальных терминов квантовых явлений в приборных полупроводниковых структурах, имеющих в настоящее время наибольшее практическое приближение, выглядит следующим образом.
Квантовые ямы. Термин используется для обозначения системы, которая имеет размерное квантование движения носителей заряда в одном направлении. Основные явления для квантовых ям: размерное квантование электронного спектра, квантовый (целочисленный и дробный) эффект Холла.Молекулярно-лучевая эпитаксия дает возможность формирования гетероструктур с квантовыми ямами, на которых возможно достижение высоких значений подвижности электронов, а, следовательно, и быстродействия приборов.
Также уделено большое внимание фотонным материалам, которые имеют ряд специфических свойств. Это упорядоченные системы, в которых существенную роль играет зонный спектр фотонов. Примерами служат опаловые матрицы и самоорганизованные нанопористые структуры, например на основе оксида алюминия. Такие материалы позволяют продвинуться в создании низкопороговых лазеров, приемников излучения, систем управления световыми потоками.
Фуллереноподобные материалы на основе углерода и других неорганических материалов стали интенсивно изучаться в последнее время и сейчас рассматриваются как одни из самых перспективных материалов для наноэлектроники и микроэлектромеханики, благодаря совокупности таких свойств, как уникальная прочность, управляемое изменение размеров от единиц до сотен нанометров, возможность заполнения полостей молекулами газов, органическими и неорганическими молекулами, что дает возможность получать управляемые физические свойства.
Фуллерены – агрегаты атомов углерода (С60), собранные в молекулу с ковалентными связями. Число атомов в молекуле углерода может достигать 1 млн. и более, и они могут иметь форму одностенной трубки диаметром 1,1 нм и длиной в несколько десятков микрон – это нанотрубки. Возможность вводить в структуру различные присадки увеличивает число фуллереновых материалов и придает им свойства полупроводников, металлов, ферромагнетиков, полимеров – эти материалы называют фуллеритами. Все эти молекулы (известно в настоящее время более десятка тысяч) могут служить строительными элементами для создания наноустройств с помощью методов молекулярного моделирования (механические приводы, моторы, шестеренки, молекулярные насосы, амортизаторы, пружины и т.д.). На основе нанотрубок можно создавать электронные компоненты, сенсоры, избирательные фильтры, автокатоды, индикаторы, нити накаливания, материалы для строительства микроустройств, нити и высокопрочные ткани.
Молекулярный характер фуллереноподобных материалов открывает дорогу для химических методов сборки функциональных структур (самоорганизация) на основе таких материалов [3].
Наконец, наноматериалы могут привести и уже приводят к созданию новых конструкционных материалов, сочетающих высокие прочность и пластичность, термо- и коррозионную стойкость, низкую воспламеняемость. Такие материалы необходимы при создании микро- и нанороботов, работающих в специальных условиях и средах, конструкциях летательных и космических аппаратов.
Главная цель нанотехнологии – создание наноприборов, к настоящему времени определились два главных принципа: «сверху-вниз» и «снизу-вверх».
Принцип «сверху-вниз» – это миниатюризация традиционных микроэлектронных схем и микроэлектромеханических устройств до наноразмеров с помощью:
- усовершенствованных методов и процессов, используемых полупроводниковой технологией;
- новых нетрадиционных процессов, таких как программное воздействие зондами с наноразмерным острием (кантилевер в зондовых микроскопах) на материал с целью его локальной модификации на уровне атомов или молекул;
- новых материалов и новых физических эффектов.
Принцип «снизу-вверх» – это создание наноприборов и наноустройств, собранных из молекул или атомов.
Ситуация радикальным образом изменилась в последниегоды в связи с достижениям в лазерных технологиях (пороговые процессы), в изучении процессов взаимодействия излучения с веществом (нелинейные процессы) и в появлении новой области– ближнепольной оптики. Теперь оптические методы ипроцессы в связи с их разработанностью, гибкостью, относительной простотой, и в связи с появлением перспективы вновь являются основными методами локализации воздействий на данном этапе развития нанотехнологий.
Толщина диэлектрика полевых транзисторов ныне составляет менее 1,2 нм, что достигается созданием самоформирующихся слоев диэлектрика с толщиной в 3-5 атомных слоев. Для улучшения электрических характеристик кремния используется его растяжение (напряженный кремний), улучшающее атомарную структуру материала.
Вместо алюминия для проводников СБИС все чаще применяется медь – материал с меньшим удельным сопротивлением. Уже нынешний уровень развития нанотехнологий в микроэлектронике позволяет создавать пластины и даже трубки толщиной в атомный слой, так что возможности этого направления почти безграничны. Они и служат гарантией того, что закон Мура будет соблюдаться еще многие годы.
Актуальность и степень освещения практических вопросов достаточна для их примененияв данной сфере производств АПК. С методической точки зрения дисциплина отличается взаимосвязанностью глав, доступностью изложения, наличием примеров и визуального материала. В учебно- методическом комплексе даны точные определения и формулировки с использованием общепринятой терминологии. Уровень изложенного материала соответствует современным достижениям в области нанотехнологий для микроэлектроники. Список литературы достаточно полно освещает вопросы рассматриваемых разделов.
Нанотехнологии в микроэлектронике – довольно горячо обсуждаемая в данное время тема, ей посвящены сотни научных конференций и семинаров в год. Недаром в своё время эмблемой фирмы Intel были и люди в космических скафандрах: только в 2002 и 2003 годах затраты Intel на проведение научных исследований в области нанотехнологий в микроэлектронике составили более 4 миллиардов долларов. Чтобы микропроцессоры с десятками и сотнями миллионов транзисторов не превратились попутно в микроволновые печи (а такая перспектива при работе процессоров на частотах в единицы ГГц, увы, есть), Intel ведет исследования в области нанотехнологий в микроэлектронике. Уже пал барьер геометрического разрешения в 0,1 мкм или 100 нм. А с помощью установок фотолитографии с жесткими ультрафиолетовыми лучами (EUV) уже удалось получить разрешение менее 40-50 нм [4].
Вне сомнения учебно – методический комплекс по дисциплине «Нанотехнологии в микроэлектронике» также может быть рекомендована для заочного и дистанционного обучения.