преамбула с объяснением смысла работы и ее значения в
advertisement
ПРЕАМБУЛА к разработке учебного пособия «Многопараметровая диагностика микро- и наноструктур», выполненной в рамках Мероприятия №1.1.10. "Научно-производственный образовательный комплекс "Измерительные системы для микро- и наноэлектроники, машиностроения, медицины". Создание лаборатории медицинской физики и техники в 2008 г.". Закупка №1.3.24.5 Разработка учебно-методических комплексов и приобретение программного обеспечения по направлению "Биомедицинская инженерия" в 2008 г.. Исполнители Биленко Д.И., к.ф. - м.н., профессор, Терин Д.В., к.ф. - м.н., доцент ФНБМТ, Смирнов А.И., зав. лаб., Полянская В.П., вед. инж., Мысенко И.Б., вед. техн., Жаркова Э.А. с.н.с., Хасина Е.И., с.н.с., Мельникова Т.Е., н.с., Сагайдачный А.А., инженер, Галушка В.В., ст. лаб. Разработанное учебное пособие адресовано студентам университета, проходящим подготовку по направлениям: 654100 «Электроника и микроэлектроника», 658300 «Нанотехнология» и 651700 «Материаловедение, технологии материалов и покрытий», по ниже следующим специальностям: 014100 «Микроэлектроника и полупроводниковые приборы» (специализации: «Физика и технология микро и наноэлектроники», «Методы исследования и контроля микро и наноструктур»), 200100 «Микроэлектроника и твердотельная электроника» (специализации: 200102 «Полупроводниковые структуры и материалы электронной техники», 200107 «Электронные датчики»), 071000 «Материаловедение и технология новых материалов» (специализация 071015 – «Физическое материаловедение и технология новых материалов электронной техники») и 202100 «Нанотехнология в электронике», а так же магистрантам и аспирантам. Пособие будет рекомендовано так же дополнительного образования. при различных формах Инновационный проект направлен на подготовку квалифицированных специалистов, способных активно работать в новых быстро развивающихся областях науки и техники. Важнейшим качеством таких профессионалов является умение «видеть поле», представлять цели направления, основные лимитирующие факторы их достижения, владеть знаниями ранее применённых и перспективных путей их преодоления, умениями находить и активно применять недостающие знания. Каждое направление науки и техники в своём развитии преодолевает ряд трудностей и противоречий. Анализ их источников и путей преодоления весьма важны для понимания логики развития методов и средств направления, для приобретения навыков анализа и преодоления новых вызовов, для воспитания творческого подхода к преодолению неизбежно возникающих проблем и затруднений. Такой «причинно-исторический» подход к изучению дисциплины способствует систематизации знаний и превращает набор весьма важных частных решений в целенаправленную картину развития, легко понимаемую и усваиваемую. Методы диагностики и анализа микро- и наносистем являются весьма специфической областью, знание основных проблем которой, как и основных направлений их решения, становится всё более необходимым. Многообразие микро- и нанообъектов, структур и систем на их основе, так же как и непрерывно увеличивающийся диапазон их использования, необычайно быстро расширяют перечень параметров, представляющих интерес как для изучения, так и при практическом использовании микро- и наноматериалов и структур. Необходимые системы параметров для конкретных применений устанавливаются с естественным отставанием от развития применений. Весьма большой опыт, накопленный при развитии материаловедения, коллоидной химии, микроэлектроники, методов изучения состава и физико-химических свойств приповерхностных областей широко отображён в ряде монографий, журнальной и специальной литературе. Однако, систематизация данных недостаточна, а доступ к ним зачастую затруднён. Ключевой проблемой является соответствие модели объекта, измерительного агента и их взаимодействия измеряемому объекту и ситуации при диагностике не только нано-, но и современных микроструктур. Решение проблемы требует развития и использования современных методов физического и математического моделирования, не модифицирующих объект неизвестным образом методов многопараметровых измерений, методов обработки результатов измерений, позволяющих получить данные , оценку их достоверности и проверку адекватности используемых моделей. Влияние акта измерения на измеряемые величины широко исследовалось и дискутируется уже более 80-ти лет. При изучении нанообъектов эта проблема приобрела практическую значимость не в философском квантовомеханическом, а в ранее не рассматривавшемся аспекте неконтролируемой модификации. целесообразно знакомство с нею. Особенностью диагностики и анализа микро- и наносистем является с одной стороны развитие несомненно нужных однопараметровых измерений, а с другой всё возрастающая необходимость многопараметровых. По мере перехода к нанообъектам априорная применимость одного из базовых предположений метрики – предположения об однородности объекта, становится всё менее применимой. Приобретает важность отклонение от однородности по параметрам, измерение которых не предусмотрено поставленной задачей и величина которых априори неизвестна. Однако, их влияние на результаты измерений могут быть весьма велики. Неоднородности могут носить вынужденный сопутствующий характер, например, отклонения от однородности в распределении легирующих примесей. Но всё большее значение приобретают специально создаваемые композиты. Системы параметров, характеризующих состав, топологию, макро- и микрофизические свойства компонентов и веществ, химические связи между компонентами и их модификация – краткий перечень актуальных задач метрики композитов. Особый интерес и значение имеет анализ параметров в условиях модификации и фазовых переходов. Результаты проведенного анализа определили содержание 1-ой части пособия. Диагностика микро- и нанострууктур в настоящее время стала тем «бутылочным горлышком», которое определяет возможности реализации многочисленных лабораторных достижений нанотехнологии в массовом производстве. Без нахождения систем параметров, определяющих воспроизводимость свойств и выход годных на различных этапах создания изделий в массовом производстве, без создания и внедрения основ метрологии наноструктур нанотехнология на долгие годы может остаться « лучшим методом решения проблемы в поисках её». Всё в большей степени подобная ситуация складывается и в микроэлектронике, в которой, например, переход на 22 нм технологию не имеет в ряде случаев даже ясности в путях разрешения ряда задач диагностики и анализа. Диагностика микро - и наноструктур по количеству отдельных определяемых параметров, по диапазонам их изменения, по многообразию используемых явлений, методов и средств не имеет аналогов ни в одном из видов деятельности, ни в одной из областей знания. В то же время динамизм обновления параметров, знаний, методов и аппаратуры необычайно высок. Поэтому, необходим уход или совмещение традиционных алгоритмов детального углублённого изучения отдельных методик и аппаратуры с методами, которые позволяли бы овладеть общими для ряда методов принципами и приёмами получения многопараметровой информации. Становится всё более очевидным недостаточность углублённого накопления знаний, теоретического обучения без обучения методам получения новых знаний и использования теоретического багажа, без навыков и умений проведения сопоставительного анализа различных методов, средств и аппаратуры по совокупности значимых факторов. Особое значение приобретает оценка точности, оценка достоверности получаемых данных и адекватности объекта исследований той модели, которая заложена в основу метода и обработки данных измерений. Оценка достоверности предполагает наряду с численным отображением влияния погрешностей косвенных измерений на искомый результат и оценку влияния возможных отклонений используемой модели от свойственной объекту во время проведения измерений. Определяюще важным при анализе и диагностике микро- и наноструктур является овладение специфическими особенностями моделирования структур и решения прямых и обратных задач. Численный эксперимент по существу становится математической основой не только разработки и изучения методов диагностики, но и рабочим приёмом, являющимся одной из основных составляющих при их практической реализации. Следует отметить, что систематизации и необходимого анализа особенностей и задач и учебной, ни в научной литературе найти не удалось. Раздел 2. Особенности методов диагностики и анализа микро и наноситем. В названии отображено неразрывное единство микроэлектроники и нанотехнологии. Если следовать наиболее распространенному определению нанотехнологии как области науки и техники, у объектов которой хотя бы один из размеров не превосходит 100нм, то современная микроэлектроника является областью нанотехнологии. Базовые элементы современных микроэлектронных устройств, промышленно выпускаемые миллиардами ежечасно, давно перешагнули этот рубеж. Длины каналов современных МДП транзисторов находятся на уровне 90 -45 нм и в ближайшие годы достигнут 32-х -22 нм, а толщины слоёв заданного состава, обладающих заданным комплексом свойств, находятся в диапазоне единиц и долей нанометров. В то же время рутинный диаметр пластин кремния, на которых производятся интегральные микроэлектронные схемы, достиг 300 мм и не исключено его возрастание до 450 мм в ближайшем десятилетии. Необходимая для обеспечения выхода годных схем и их последующего функционирования локальность определения и контроля свойств возрастает по мере уменьшения топологических норм и размеров элементов. Использование тестовых объектов, т.е. специально созданных областей контроля, способствует снижению уровня требований по быстродействию, но не приводит к принципиальному разрешению противоречия. Противоречия между локальностью измерений, площадью контролируемого образца, длительностью и стоимостью измерений по мере развития микроэлектроники и нанотехнологии возрастают. Поиск и реализация путей преодоления этих противоречий - одна из отличительных особенностей диагностики микро- и наносистем. Вторая особенность диагностики микро- и наносистем в том, что число параметров и связей между ними растёт при переходе от макро- к микро-, и в особой мере к наноструктурам и системам. Определение нанотехнологии как области науки и техники, свойства объектов которой определяются зависимостями от их размеров и свойств контактирующих с ними сред, является, с нашей точки зрения, более информативно. При уменьшении размеров до так называемых характеристических длин могут изменяться не только абсолютные значения параметров, но и сами зависимости этих величин от внешних воздействий, также как и связи между параметрами. При переходе к размерам, сопоставимым и меньшим характеристических, так называемые удельные характеристики: плотность, кинетические коэффициенты (например, проводимость, теплопроводность, ЭДС Холла), параметры, описывающие зонный энергетический электронный спектр (зависимости энергии носителей заряда от импульса, ширина запрещённой зоны), термодинамические характеристики (температуры фазовых переходов, теплоёмкость) становятся зависимыми от геометрических размеров образца и свойств окружающей его среды. Это лишает такие параметры возможности служить идентификации материала и лишает результаты измерений обычной определенности, если не известны геометрические параметры и влияние соседствующих сред. Например, указание материала, из которого создан макрообъект, позволяет судить о ряде его физических и химических свойств. Однако, для нанокластеров ряда элементов периодическая система становится минимум трёхмерной, и, например, изменение количества атомов в кластере алюминия может изменять его свойства от металлических к металлоидным, также как и его температуру плавления, термодинамические, оптические и электрофизические свойства. Также весьма значимой , во многом определяющей свойства элементов и структуры может быть плотность размещения элементов, от которой зависит их взаимное влияние. Свойства наносистемы определяются не только «объёмными» свойствами материалов, входящих в систему, но и «поверхностными» свойствами, и те и другие свойства определяются составом, структурой, структурным совершенством областей и соседствующих сред и предысторией структуры. Особенностью диагностики микро- и наноструктур является то, что при переходе к нанометровым размерам количество параметров, нужных для описания свойств элементов, структур и систем на их основе элементов резко возрастает. В разделе 2 обсуждаются следующие направления методов диагностики: - возможность модификации объекта измерений или его состояния измерительными агентами - одна из особенностей диагностики наноструктур - модельные представления определяюще важные в диагностике микро- и наноструктур - одно- и многопараметровые измерения В разделе 3 рассматриваются подходы по проведению вычислительных экспериментов в методах диагностики микро - и наноструктур. Разработка методов диагностики и анализа требует проведения большого числа расчётов, целью которых является выяснение возможностей исследуемых методов и их отработка. Варьируемыми при таких расчётах являются модели объектов и измерительных воздействий, их изменяемые и постоянные параметры, различные погрешности измерений и диапазоны измеряемых величин. Эффективность проведения вычислительных экспериментов определяет во многом эффективность разработки и возможностей использования методов. Вычислительный эксперимент можно определить как эксперимент над математической моделью метода исследования объекта. Модель метода исследования объекта представляется совокупностью модели самого объекта, модели взаимодействия объекта и измерительного воздействия с учетом воздействия окружающей среды на процесс измерения. Реализация вычислительного эксперимента состоит в вычислении на ЭВМ параметров модели на основе полученных данных (экспериментальных или модельных), по значениям которых делаются выводы о свойствах объекта исследования. Вычислительный эксперимент дополняет эксперимент натурный, позволяя: проверить соответствие используемых моделей объектам и методам найти оптимальные условия измерений; определить точность и область чувствительности выбранного метода; определить неизвестные параметры объекта по экспериментальным данным натурного эксперимента; установить степень влияния погрешностей измерения на значения определяемых параметров; В отличие от натурного эксперимент вычислительный часто требует меньших затрат ресурсов - оборудования, времени, обслуживающего персонала, обладает прогностическим потенциалом и хорошей воспроизводимостью. - Основные этапы вычислительного эксперимента - Обратная задача как задача оптимизации. Метод наименьших квадратов и минимум функции многих переменных - Решение обратной задачи методами поиска минимума функции многих переменных - Примеры реализаций вычислительного эксперимента - Программная реализация многопараметрового определения свойств многослойных структур - IMD - Программа для моделирования оптических свойств многослойных структур - Определение неизвестных параметров структуры. Решение обратной задачи программой IMD В разделе 4 основное внимание уделено обсуждению многопараметровой диагностики неупорядоченных микро и наноструктур. Описание электродинамических и электрофизических свойств многокомпонентных сред (модели эффективной среды, спектральные зависимости диэлектрической проницаемости сред с равноправными геометрическими и неравноправными компонентами (статистические смеси и матричные системы), отражение излучения в областях плазменного резонанса свободных носителей заряда неупорядоченными полупроводниковыми средами, Методы определения свойств композитов Определение параметров композита и свойств компонентов в многокомпонентных средах (Определение параметров композита и свойств компонентов в условиях фазового перехода металл-полупроводник в двуокиси ванадия, определение параметров композита и свойств компонентов в пористом кремнии) Исследования электродинамических свойств микро и наноструктур позволяет определять модель подобных неупорядоченных, качественно и количественно описывающую их свойства, определять электрофизические свойства, объемное содержания и пространственную ориентацию компонент. Предложенная методика определения параметров композита и свойств компонентов в неупорядоченных средах позволила установить, что свойства слоев двуокиси ванадия при температурном фазовом переходе описываются моделью статистической смеси, а свойства пористого кремния описываются моделью матричной среды. Раздел 5 посвящен классификация эмиссионных методов диагностики наноматериалов и структур -Классификация и сопоставительный анализ методов - ВИМС - Электронная Оже спектроскопия - Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия - Растровая электронная микроскопия. Критерием овладения курсом может быть только умение решения конкретных задач на основе использования имеющегося знания и приобретения нового.
