Рабочая учебная программа дисциплины Нанотехнологии в электронике

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Утверждаю: проректор по УР

_______________ В.В. Рыбкин

« » 20 г.

Направление подготовки 240100 Химическая технология

Предметом изучения являются: 1) нанотехнологические процессы, применяющиеся или имеющие перспективы применения в технологии изделий электронной техники; 2) новые виды приборов, функционирущие на основе квантовых эффектов в наноразмерных структурах. Нанотехнологии относят к классу так называемых высоких технологий и их применение позволяет не только интенсифицировать производство тех или иных изделий, но и совершить скачок в технологических параметрах и качестве приборов. Поэтому важность изучения таких вопросов при подготовке бакалавра очевидна.

- основные понятия и методы математического анализа, линейной алгебры, дискретной математики, теории дифференциальных уравнений и элементов теории уравнений математической физики, теории вероятностей и математической статистики, математических методов решения профессиональных задач;

- технические и программные средства реализации информационных технологий, основы работы в локальных и глобальных сетях, типовые численные методы решения математических задач и алгоритмы их реализации, один из языков программирования высокого уровня;

- законы Ньютона и законы сохранения, принципы специальной теории относительности Эйнштейна, элементы общей теории относительности, элементы механики жидкостей, законы термодинамики, статистические распределения, законы электростатики, природу магнитного поля и поведение веществ в магнитном поле, законы электромагнитной индукции, волновые процессы, геометрическую и волновую оптику, основы квантовой механики, строение многоэлектронных атомов, квантовую статистику электронов металлах и полупроводниках, строение ядра, классификацию элементарных частиц;

- электронное строение атомов и молекул, основы теории химической связи в соединениях разных типов, строение вещества в конденсированном состоянии, основные закономерности протекания химических процессов и характеристики равновесного состояния, химические свойства элементов различных групп Периодической системы и их важнейших соединений;

уметь:

- проводить анализ функций, решать основные задачи теории вероятности и математической статистики, решать уравнения и системы дифференциальных уравнений применительно к реальным процессам, применять математические методы при решении типовых профессиональных задач;

- работать в качестве пользователя персонального компьютера, использовать внешние носители информации для обмена данными между машинами, создавать резервные копии и архивы данных и программ, использовать численные методы для решения математических задач, использовать языки и системы программирования для решения профессиональных задач, работать с программными средствами общего назначения;

- решать типовые задачи связанные с основными разделами физики, использовать физические законы при анализе и решении проблем профессиональной деятельности;

- использовать основные химические законы, термодинамические справочные данные и количественные соотношения неорганической химии для решения профессиональных задач;

- методами построения математической модели типовых профессиональных задач и

- методами поиска и обмена информацией в глобальных и локальных компьютерных сетях, техническими и программными средствами защиты информации при работе с компьютерными системами;

- методами проведения физических измерений, методами корректной оценки погрешностей при проведении физического эксперимента

- теоретическими методами описания свойств простых и сложных веществ на основе электронного строения их атомов и положения в Периодической системе химических элементов, экспериментальными методами определения физико-химических неорганических

соединений;
Освоение данной дисциплины как предшествующей необходимо при изучении следующих дисциплин:

• 
  Технология и оборудование производства изделий электронной техники.
  

• 
  способен использовать знания о современной физической картине мира, пространственно-временных закономерностях, строении вещества для понимания окружающего мира и явлений природы (ПК-2);
  
• 
  способностью и готовностью осуществлять технологический процесс в соответствии с регламентом и использовать технические средства для измерения основных параметров технологического процесса, свойств сырья и продукции (ПК-7);
  
• 
  способен использовать знания основных физических теорий для решения возникающих физических задач, самостоятельного приобретения физических знаний, для понимания принципов работы приборов и устройств, в том числе выходящих за пределы компетентности конкретного направления (ПК-24);
  
• 
  готов изучать научно-техническую информацию, отечественный и зарубежный опыт по тематике исследования (ПК-25).
  

Общая трудоемкость дисциплины составляет 8 зачетных единиц, 288 часов.

Микроэлектроника как катализатор промышленного прогресса. Современное состояние технологии интегральной электроники: материалы, процессы, приборы. Специфика технологии: наукоемкость, электронная гигиена. Вторая и третья транзисторные революции. Степень интеграции ИМС. Закон Мура. Проблемы масштабирования размеров элементов ИМС при переходе от «микро» к «нано»: ограничения и недостатки традиционных технологий, квантовые ограничения. Начала наноэлектроники.

Понятие нанотехнологии. Изменение физико-химических свойств вещества при масштабировании размеров от макро- к микро- и нано-. Классификация объектов наномира. Причины отличий физико-химических свойств наночастиц и компактного вещества. Современные методы исследования строения и химической природы веществ. Инструментальные методы сканирующей зондовой микроскопии: управляемое манипулирование нанообъектами. Место и роль нанотехнологий в современном мире. Успехи и достижения последнего десятилетия. Национальная нанотехнологическая программа: основные направления развития и ожидаемые эффекты.

Модуль 2. Методы нанесения проводящих, полупроводниковых и диэлектрических покрытий в технологии микро- и нано-электроники.

Вакуум-плазменные методы нанесения покрытий и функциональных слоев ИМС: термическое окисление, напыление, химическое осаждение из газовой фазы, эпитаксия. Проблемы классических технологий: критическая толщина покрытия, адгезия, дефектность кристаллических структур. Плазмо-стимулированные процессы осаждения пленок. Термическое окисление пористых структур. Локальное окисление с помощью СЗМ. Молекулярно-лучевая эпитаксия. МОС-гидридная эпитаксия. Гетероэпитаксия. Самосборка при эпитаксии: островковые структуры и монослои. Технология гетерофазного получения нанопокрытий (метод Лангмюра-Блоджетт).

Фотолитография как традиционный метод формирования топологического рельефа ИМС. Проблемы фотолитографии, дифракционные ограничения. Современные методы фотолитографии с использованием глубокого и сверхглубокого ультафиолета. Рентгенолитография. Электронно-лучевая литография. Ионно-лучевая литография. Лазерная литография. Современные методы механической литографии: нанотиснение и нанопечать.

История развития технологии травления, жидкостные методы и их недостатки. Парамеры процесса (селективность, анизотропия, равномерность) и методы их оптимизации. Вакуумно-плазменные методы травления и очистки: ионное травление, ионно-химическое травление, плазмохимическое травление. Радиационные повреждения кроисталлических структур и методы их устранения. Фото- и лазеро-стимулированное травление. Бош-процесс.

Модуль 4. Электронные приборы на квантоворазмерных эффектах. Наноинформатика и квантовые компьютеры. Микро- и нано-механические системы.

Туннелирование электронов. Квантовые ямы и точки, их энергетическая структура. Квантовые эффекты в наноструктурах: одноэлектронное туннелирование, транспортный эффект Ааронова-Бома. Квантовые приборы наноэлектроники: квантовый вентиль, квантовый интерферометр, квантовый каскадный лазер. Новые транзисторные структуры: квантовые полевые транзисторы, транзисторы с резонансным туннелированием. Одноэлектронные приборы. Новые материалы наноэлектроники: углеродные нанотрубки, пористый кремний, пористый оксид алюминия. Наносенсоры. Перспективы ближайшего развития.

Компьютер: двигатель или томоз прогресса? Идея квантового компьютера, его преимущества по сравнению с обычным компьютером. Принцип работы квантового компьютера. Кубит как единица хранения информации, взаимодействие кубитов, операции над кубитами. Методы чтения-записи. Аппаратаная часть квантового компьютера.

Определение МЭМС и НЭМС. Типы МЭМС. Реализованные и перспективные проекты. Наногенераторы, наномоторы и наномеханизмы. Области применения и перспективы.

Лабораторный практикум по данной дисциплине не предусмотрен.

7. 
   Практические занятия (семинары)
   

- обсуждение современного состояния технологии интегральной электроники;

- требование электронной гигиены на современном полупроводниковом производстве;

- взаимосвязь степени интеграции ИМС и стоимости одного транзистора и всего чипа в целом;

- обсуждение проблемы масштабирования размеров элементов ИМС при переходе от «микро» к «нано»: ограничения и недостатки традиционных технологий;

- возможные квантовые ограничения миниатюризации элементов микросхем;

- структура затрат современной полупроводниковой фабрики по выпуску СБИС;

- оценка изменения физико-химических свойств вещества при масштабировании размеров от макро- к микро- и нано-;

- обсуждение причин отличий физико-химических свойств наночастиц и компактного вещества;

- современные методы исследования строения и химической природы веществ.

- достоинства и недостатки вакуумно-плазменных методов нанесения покрытий и функциональных слоев ИМС;

- расчет скоростей термического окисления в сухом и влажном воздухе;

- оценка скоростей напыления;

- расчет скорости химическое осаждение из газовой фазы.

- обсуждение проблем классических технологий: критической толщины покрытия, адгезии, дефектности кристаллических структур.

- оценка скоростей термического окисление пористых структур.

Модуль 3. Литография и размерное травление. Трудоемкость 20 час.

- обсуждение достоинств и недостатков фотолитографии как традиционного метода формирования топологического рельефа ИМС;

- оценка дифракционного ограничения современной УФ-литографии;

- сравнение разрешающей способности электронно-лучевой литографии с фотолитографией.

- оценка разрешающей способности ионно-лучевой литографии. Лазерная литография. Современные методы механической литографии: нанотиснение и нанопечать.

- обсуждение причин отказа от жидкостных методов травления;

- основополагающие параметры процесса травления и методы их оптимизации;

- оценка селективности при жидкостном-химическом, физическом травлении-распылении и плазмо-химическом травлении;

- расчет анизотропия и равномерности при жидкостном-химическом, физическом травлении-распылении и плазмо-химическом травлении;

Модуль 4. Наноинформатика и квантовые компьютеры. Микро- и нано-механические системы. Трудоемкость 20 час.

- оценка энергетической структуры квантовых ям и точек;

- оценка вероятности туннелирования электронов;

- квантовые эффекты в наноструктурах: одноэлектронное туннелирование, транспортный эффект Ааронова-Бома;

- принцип работы квантовых приборов наноэлектроники: квантового вентиля, квантового интерферометра, квантового каскадного лазера.

- принцип работы квантовых полевых транзисторов, транзисторов с резонансным туннелированием;

- технологии получения пористого кремний и оксида алюминия.

- обсуждение принципа работы квантового компьютера.

Курсовые проекты или работы данной дисциплине не планируются

Поскольку лекции читаются для одной группы студентов (20 – 25 чел.) непосредственно в аудитории контролируется усвоение материала основной массой студентов путем тестирования по отдельным модулям дисциплины.

При работе в малоконтингентной группе, сформированной из достаточно успешных студентов, целесообразно использовать диалоговую форму ведения лекций с использованием элементов практических занятий, постановкой и решением проблемных задач и т.д. В рамках лекционных занятий можно заслушать и обсудить подготовленные студентами рефераты.

При проведении практических занятий преподавателю рекомендуется не менее 1 часа из двух (50% времени) отводить на самостоятельное решение задач. Практические занятия целесообразно строить следующим образом:

1. 
   Вводная преподавателя (цели занятия, основные вопросы, которые должны быть рассмотрены).
   
2. 
   Беглый опрос.
   
3. 
   Решение 1-2 типовых задач у доски.
   
4. 
   Самостоятельное решение задач.
   
5. 
   Разбор типовых ошибок при решении (в конце текущего занятия или в начале следующего).
   

1. 
   Давать определенное количество задач для самостоятельного решения, равных по трудности, а оценку ставить за количество решенных за определенное время задач.
   
2. 
   Выдавать задания с задачами разной трудности и оценку ставить за трудность решенной задачи.
   

По материалам модуля или раздела целесообразно выдавать студенту домашнее задание и на последнем практическом занятии по разделу или модулю подвести итоги его изучения (например, провести контрольную работу в целом по модулю), обсудить оценки каждого студента, выдать дополнительные задания тем студентам, которые хотят повысить оценку за текущую работу.

• 
  работа с электронным учебником, включая тестирование для самопроверки усвоенных знаний
  
• 
  подготовка и написание рефератов, докладов, очерков и других письменных работ на заданные темы;
  
• 
  выполнение домашних заданий разнообразного характера. Это - решение задач; подбор и изучение литературных источников; подбор иллюстративного и описательного материала по отдельным разделам курса в сети Интернет;
  
• 
  выполнение индивидуальных заданий, направленных на развитие у студентов самостоятельности и инициативы. Индивидуальное задание может получать как каждый студент, так и часть студентов группы;
  

- практические занятия – 10 баллов;

- рубежное тестирование по каждому модулю – всего 15 баллов;

- контрольные работы по каждому модулю – всего 15 баллов;

- домашнее задание или реферат – 10 баллов.

Зачет проставляется автоматически, если студент набрал по текущей работе не менее 26 баллов. Минимальное количество баллов по каждому из видов текущей работы составляет половину от максимального.

2. Вычислительные наноструктуры : учеб. пособие. Т. 1. Задачи, модели, структуры / Г. М. Алакоз [и др.] ; под ред. Г. М. Алакоза. - М. : Интернет-Ун-т Информ. технол. : БИНОМ. Лаборатор. знаний, 2010. - 488 с. (1 экз.)

3. Антипов Б. Л. Материалы электронной техники: задачи и вопросы: Учеб. пособие для вузов по спец. электрон. технике / Б. Л. Антипов ; под ред. В. А. Терехова. - 2-е изд. - СПб. : Лань, 2001. - 208 с. (35 экз.)

Примерные темы рефератов:

1. 
   Нанотехнологии. От алхимии к химии и дальше.
   
2. 
   Развитие в России работ в области нанотехнологий.
   
3. 
   Химические методы получения наночастиц.
   
4. 
   "Самосборка" в нанотехнологиях.
   
5. 
   Принципы манипуляции атомами и молекулами.
   
6. 
   Электронные элементы на основе углеродных нанотрубок.
   
7. 
   Нанокомпозиты и нанопористые материалы.
   
8. 
   Биологические наномоторы.
   
9. 
   Естественное наноструктурирование.
   
10. 
    Одноэлектроника.
    
11. 
    Ричард Фейнман – пророк нанотехнологической революции.
    
12. 
    Прогноз развития нанотехнологий до 2050 г.
    

Контроль знаний студентов на всех этапах осуществляется путем компьютерного тестирования. Комплект тестовых заданий по дисциплине состоит из 50 заданий – в основном закрытого типа. Выдаваемый каждому студенту индивидуальный тест включает 20 заданий по каждому модулю и генерируется с помощью программы SunRav TestOfficePro. Время проведения тестирования рассчитывается исходя из двух минут на одно задание. Примеры контрольных тестов по каждому модулю приведены ниже.

- тестовый экзамен (32 закрытых задания, каждое задание оценивается в 1 балл), на котором студент должен набрать не менее 26 баллов – оценка «удовлетворительно»;

Результат экзамена (максимум 50 баллов) определяется как сумма тестовой и письменной частей.

1. 
   Особенности «наномира», терминология, направление развития. Классификация методов исследования структуры и состава наноразмерных объектов.
   
2. 
   Классические методы исследования структуры и состава вещества: рентгено-структурный анализ; дифракция медленных электронов.
   
3. 
   Классические методы исследования структуры и состава вещества: просвечивающая электронная микроскопия; ионно-полевая микроскопия;
   
4. 
   Классические методы исследования структуры и состава вещества: масспректрометрия, ФЭС, РЭС, ОЭС;
   
5. 
   Классические методы исследования структуры и состава вещества: Методы магнитного резонанса ядер и электронов (ЭПР, ЯМР);
   
6. 
   Методы исследования структуры и состава наноразмерных объектов;
   
7. 
   Сканирующая зондовая микроскопия;
   
8. 
   Сканирующая тунельная микроскопия;
   
9. 
   Атомно-силовая микроскопия;
   
10. 
    Колебательные методики атомно-силовой микроскопии;
    
11. 
    Электросиловая зондовая микроскопия;
    
12. 
    Магнитносиловая зондовая микроскопия;
    
13. 
    Ближнепольная оптическая микроскопия;
    
14. 
    Инструментальные методы зондовой микроскопии (процессы переноса атомов: параллельные, перпендикулярные, контактный перенос, полевое испарение, электромиграция);
    
15. 
    Модификация свойств поверхности (локальное окисление, нанолитография, сканирующая зондовая литография);
    
16. 
    Наноматериалы и нанохимия; кластеры;
    
17. 
    Углеродные наноструктуры;
    
18. 
    Углеродные нанотрубки;
    
19. 
    Материалы с естественным наноструктурированием;
    
20. 
    Пористый кремний;
    
21. 
    Пористый оксид алюминия;
    
22. 
    Саморегулирующиеся процессы (самоупорядочевание, самосборка);
    
23. 
    Объемная самосборка;
    
24. 
    Поверхностная самосборка;
    
25. 
    LB-технология (метод вертикального осаждения, горизонтальный метод Шайфера);
    
26. 
    Самоупорядочение;
    
27. 
    Квантово-размерные структуры;
    
28. 
    Резонансный туннельный диод;
    
29. 
    Лазер на квантовых точках;
    
30. 
    Одноэлектроника;
    
31. 
    Одноэлектронный транзистор;
    
32. 
    Квантовый компьютер.
    

1. 
   Пул, Ч. Нанотехнологии : учеб. пособие для обучающихся по направлению подготовки "Нанотехнологии" / Ч. Пул, Ф. Оуэнс ; пер. с англ. под ред. Ю. И. Головина. - Изд. 4-е, испр. и доп. - М. : Техносфера, 2009. - 336 с. (1 экз.)
   
2. 
   Суздалев, И. П. Нанотехнология. Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов / И. П. Суздалев. - Изд. 2-е, испр. - М. : Книж. дом "ЛИБРОКОМ", 2009. - 589 с. (1 экз.)
   
3. 
   Меньшутина, Н. В. Введение в нанотехнологию / Н. В. Меньшутина. - Калуга : Изд-во науч. лит. Бочкаревой Н. Ф., 2006. - 131 с. (50 экз.)
   
4. 
   Гусев, А. И. Наноматериалы. Наноструктуры. Нанотехнологии. / А. И. Гусев. - Изд.2-е, испр. - М. : ФИЗМАЛИТ, 2007. - 415 с. (100 экз.)
   
5. 
   Щука, А. А. Наноэлектроника : учеб. пособие для вузов / А. А. Щука ; под ред. ред. акад. Ю. В. Гуляева. - М. : Физматкнига, 2007. - 463 с. (15 экз.)
   

1. Игнатов, А. Н. Классическая электроника и наноэлектроника: учеб. пособие для вузов по направлению 210400 - "Телекоммуникации" / А. Н. Игнатов, Н. Е. Фадеева, В. Л. Савиных. - М. : Флинта : Наука, 2009. - 727 с. (1 экз.)

2. Методы нанолитографии: достижения и перспективы: [моногр.] / Г. С. Константинова [и др.]. - Ростов н/Д : Терра-принт, 2008. - 112 с. : ил. - Библиогр. : с. 110-111. (1 экз.)

3. Мартинес-Дуарт, Дж. М. Нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники / Мартинес-Дуарт, Дж. М., Мартин-Палма, Р. Дж., Ф. Агулло-Руеда ; пер. с англ. А. В. Хачояна ; под ред. Е. Б. Якимова. - Изд. 2-е, доп. - М. : Техносфера, 2009. - 368 с. (1 экз.)

4. Наноструктурные материалы / под ред. Р. Ханнинка, А. Хилл ; пер. с англ. А. А. Шустикова, под ред. Н. И. Бауровой. - М. : Техносфера, 2009. - 488 с. (1 экз.)

5. Уильямс, Л. Нанотехнологии без тайн : путеводитель / Л. Уильямс, У. Адамс. - М. : Эксмо, 2009. - 365 с. : ил. - Библиогр. : с. 349-355. (1 экз.)

6. Рамбиди, Н. Г. Нанотехнологии и молекулярные компьютеры / Н. Г. Рамбиди. - М. : Физматлит, 2007. - 256 с. (1 экз.)

7. Лозовский, В. Н. Нанотехнология в электронике. Введение в специальность : учеб. пособие для вузов по спец. 210601 - "Нанотехнология в электронике" / В. Н. Лозовский, Г. С. Константинова, С. В. Лозовский. - СПб. [и др.] : Лань, 2008. - 328 с. (1 экз.)

8. Бурбаева, Н. В. Сборник задач по полупроводниковой электронике : учеб. пособие для вуузов по направлению подготовки дипломированных спец. "Информатика и вычислительная техника" / Бурбаева, Нина Владимировна, Т. С. Днепровская. - М. : Физматлит, 2006. - 167 с. - Библиогр. : с. 167. (5 экз.)

9. Вычислительные наноструктуры : учеб. пособие. Т. 1. Задачи, модели, структуры / Г. М. Алакоз [и др.] ; под ред. Г. М. Алакоза. - М. : Интернет-Ун-т Информ. технол. : БИНОМ. Лаборатор. знаний, 2010. - 488 с. (1 экз.)

10. Антипов Б. Л. Материалы электронной техники: задачи и вопросы : Учеб. пособие для вузов по спец. электрон. технике / Б. Л. Антипов ; под ред. В. А. Терехова. - 2-е изд. - СПб. : Лань, 2001. - 208 с. (35 экз.)

в) программное обеспечение

• 
  СИСТЕМНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА: Microsoft Windows XP, Microsoft Vista
  
• 
  ПРИКЛАДНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА: Microsoft Office 2007, Mozilla FireFox
  
• 
  СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ: СДО Moodle, SunRAV BookOffice Pro, SunRAV TestOfficePro.
  

- тренировочные и контрольные тесты по каждому модулю http://edu.isuct.ru в категории ТП и МЭТ;

- Текст лекций с контрольными вопросами для самопроверки, задачами для практических занятий и глоссарием в СДО ИГХТУ Moodle http://edu.isuct.ru категория ТП и МЭТ.

г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы:

- база данных по технологическим установкам литографии, ионной имплантации, электронно-лучевого испарения, вакуумно-плазменного травления, окисления http://plasma.isact.ru (доступна только из локальной сети университета).

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки.

Автор (Смирнов С.А.)

Заведующий кафедрой (Светцов В.И.)

Рецензент (ы)

(подпись, ФИО)

Председатель НМС _______________ (ФИО)