Многокластерная нанотехнологическая установка для исследования и изготовления микросхем и функциональных микросистем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Многокластерная нанотехнологическая установка для исследования и изготовления микросхем и функциональных микросистем

С.Н. Мазур, М.В. Степанов, А.Б. Путилин, д.т.н., С.Д. Егоров,

П.М. Хлюстов, А.В Коротеев, Е.А. Лазутина

НПП «Квант»

Многокластерная нанотехнологическая установка (МКНТУ) создаётся для производства и исследования топологий структур микроэлементов. В МКНТУ реализуются принципы ГПС - гибких производственных систем, построенных на основе технологических модулей с ЧПУ - числовым программным управлением.

Ключевые слова: микроэлектроника, электронно-лучевая литография, углеродные нанотрубки, изготовление микросхем и микроструктур, суперконденсаторы, топология микроэлементов.

Рис. 1. МКНТУ в плане

1. Модуль «Шлюз», 2. Модуль «Радиальный распределительный центр» (РРЦ), 3. Модуль «Переходник», 4. Модули «Изолятор», «Проводник», «Микроплазма», «Электронорезист», «СТМ-нанолитография», «Нанотрава»

Комбинация суперкомпьютера с комплексом программного обеспечения для моделирования и расчёта параметров микроэлементов и интегральных структур на базе микроэлементов (2D/3D микросхем), с одной стороны, и МКНТУ вместе со вспомогательным нанотехнологическим оборудованием, с другой стороны, образуют замкнутую нанотехнологическую линию: дизайн-центр+нанофабрика (Суперкомпью-тер + МКНТУ).

Замкнутая нанотехнологическая линия позволит обеспечить:

1) коммерческую выгодность производства малых серий микросхем за счёт гибкости перепроектирования и программной модификации топологий и параметров микросхем и локализации производства;

2) сохранение технологической и коммерческой и тайны за счёт локализации разработки и производства микросхем в одном месте.

Основные принципы, положенные в основу создания МКНТУ ? модульное построение и открытая архитектура, позволяют многократно наращивать возможности МКНТУ.

В состав МКНТУ входят 10 модулей с индивидуальным компьютерным управлением, соединённые локальной вычислительной сетью (ЛВС) (рис. 1).

Рис. 2. Общий вид МКНТУ.

Рис. 3. Загрузочный модуль «Шлюз» с окном для ТВ

Рис. 4. Модуль «РРЦ»

1. Модуль «Шлюз» (рис. 3) предназначен для загрузки, выгрузки, ионно-плазменной очистки на основе реактивного ионного травления подложек диаметром 50 - 76 мм или прямоугольной формы 25Ч25 - 102Ч102 мм2.

2. Модули «РРЦ» (рис. 4) и «Переходник» предназначены для перегрузки в условиях вакуума или химически инертной технологической атмосферы (Ar, N2) между технологическими, транспортными и аналитическими модулями пластин с микроструктурами.

3. Модуль «Изолятор» (рис. 5) предназначен для нанесения с помощью магнетронного распыления (на постоянном токе) кварцевой мишени (SiO2) изолирующих и защитных диэлектрических плёнок SiO2 и Si3N4 в атмосфере O2 и N2, соответственно. Изолирующие плёнки необходимы для защиты микроструктур от агрессивной внешней среды.

Рис. 5. Модуль «Изолятор».

Рис. 6. Модуль «Проводник». Мультикатодное МРУ откинуто при открытой вакуумной камере

4. Модуль «Проводник» (рис. 6) предназначен для нанесения с помощью магнетронного распыления (на высокочастотном (ВЧ) переменном токе, 13,56 МГц) соответствующих мишеней проводящих магнитных и немагнитных многослойных или многокомпонентных металлических (Cu, Al, Fe, Ni, W, V, Ti, Co, Y, C-графит/графен) плёнок, а также изолирующих защитных диэлектрических алмазоподобных углеродных плёнок (C-алмаз).

5. Модуль «Микроплазма» (рис. 7) предназначен для реактивного ионно-плазменного и плазмохимического травления изолирующих и проводящих плёнок через 2D маски, стравливания остатков электронорезиста.

6. Модуль «Электронорезист» (рис. 8) предназначен для нанесения и сушки методом центрифугирования ровного слоя электронорезиста.

7. Модуль «СТМ-нанолитография» (рис. 9 - 11) предназначен для микролокаль-ного зондового химического осаждения из газовой фазы (NLZCVD) и микролокального зондового плазмохимического травления (NLZPE) 2D топологий микроструктур. Модуль «СТМ-нанолитография» используется также для электроннолучевой литографии (EBL - экспонирования) электронорезиста для создания 2D топологий микроструктур.

8. Модуль «Нанотрава» предназначен для каталитического осаждения массивов вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (УНТ) по технологии плазмой стимулированного химического осаждения из газовой фазы (PECVD, DLC) (рис. 12). Массивы вертикально ориентированных УНТ предназначены для использования в качестве высокопористой среды для хранения электрических зарядов в двойном электрическом слое (ДЭС) в суперконденсаторах (СК).

Рис. 7. Модуль «Микроплазма».

Рис. 8. Модуль «Электронорезист».

Рис. 9. Сканирующая головка для высоковакуумного СТМ имеет надёжное атомарное разрешение на метал-лах и внедряется в вакуумные установки до 10-11 Торр, в том числе с азотными (N2) и гелиевыми (He2) криостатами.

Рис. 10. Виртуальный цифровой шаблон:

2D топология фиксированных катализаторов Fe/Ni/V для роста массивов вертикально ориентированных УНТ.

Рис. 12. Выращивание углеродных нанотрубок (УНТ).

9. Модуль «Турбоком», верхний уровень распределённой иерархической системы управления, предназначен для общего управления модулями МКНТУ. Модуль «Турбоком» соединен со всеми модулями с помощью локальной вычислительной сети на основе RS-485 и Ethernet (рис. 13).

Рис. 13. Сетевая структура МКНТУ.

Модуль «Турбоком»: центр управления МКНТУ верхнего уровня.

10. Модуль «Суперкомпьютер» (Рис.14) имеет открытую расширяемую архитектуру (2ЧTesla S1070: 2Ч960=1920 kernel - вычислительных ядер, 64-bit Red Hat Enterprise Linux Server 5.5/6.0, GNOME, GCC, GTK+, CUDA, 4ЧIntel Xeon 5520/5620, RAM 2Ч36 GB, HDD 2Ч1600 GB) и предназначен для массивно параллельных вычислений в ходе математического моделирования и оптимизации параметров микроструктур, микросхем, микросистем и микротехнологических процессов.

Модуль позволяет проводить:

1. имитационное моделирование методом частиц и методами Монте-Карло;

2. численное итерационное решение уравнений математической физики -дифференциальных уравнений в частных производных (стационарное и нестационарное уравнения Шрёдингера для большого количества частиц и производные от них уравнения) в которых разностные схемы аппроксимации частных производных приводят к решению систем многомерных линейных уравнений - на основе библиотеки CUDA;

3. решение задач обработки, анализа и фильтрации многомерных сигналов с помощью быстрых преобразований Фурье, Уолша, Хартли, SIN-преобразования, COS-преобразования на основе библиотеки CUDA;

4. решение задач многомерного оптимального адаптивного управления технологическими процессами (в основном электронно-лучевыми и ионно-плазменными: PC, IC, PE, IE, PECVD, NLZCVD, DLC, EBL) на основе обучаемых и самообучающихся многослойных нейронных сетей, генетических алгоритмов, нечёткой логики (fuzzy logic);

5. визуализацию результатов расчётов на основе массивно параллельных технологий 3D виртуальной реальности OpenGL - на основе OpenGL Programming Guide for CUDA Architecture.

Для оперативного управления ходом и контроля над результатами технологических операций в МКНТУ встраивается контрольно-аналитическая аппаратура. В установку заложена возможность подключения в перспективе отдельного вакуумного аналитического модуля со сканирующим электронным микроскопом (СЭМ), сканирующим туннельным микроскопом (СТМ), сканирующим атомно-силовым микроскопом (АСМ), фокусируемыми ионными пучками (ФИП). Информация от встроенной контрольно-аналитической аппаратуры поступает в иерархическую ЛВС на базе модуля «Турбоком», управляющую МКНТУ в реальном режиме времени через контуры управления технологическими модулями и агрегатами по нанотехнологической маршрутной карте (НТМК). Для генерации НТМК и передачи по ЛВС на МКНТУ разрабатывается система автоматического проектирования и разработки микроэлементов (САПР НЭ) - нанокомпилятор, размещённый на аппаратуре модуля «Суперкомпьютер» и сопряжённый с МКНТУ информационно - через протоколы передачи данных с технологическими модулями МКНТУ и их агрегатов, и физически - через ЛВС (рис. 13).

Рис. 14. Модуль «Суперкомпьютер».

Изготовление на МКНТУ по нанотехнологической маршрутной карте (НТМК) образцов микроструктур, реализующих микросхемы и микросистемы для энергетических систем КА, циклически проходит стадии, показанные на рис. 10, что позволяет из 2D слоёв микроструктур изготавливать 3D микросхемы и 3D микросистемы. Основными операциями в НТМК являются:

1. загрузка в шлюзовую камеру и плазменная очистка подложек (PC, IC) - модуль «Шлюз», модули «РРЦ», модуль «Переходник»;

2. выращивание диэлектрических изолирующих плёнок (SiO2, Si3N4, - PECVD) - модуль «Изолятор»;

3. выращивание проводящих металлических плёнок (PECVD, DLC) - модуль «Проводник»;

4. нанесение электронорезиста - модуль «Электронорезист»;

5. нанесение 2D топологии на электронорезист и задубливание (EBL) - модуль «СТМ-нанолитография»;

6. травление с целью формирования 2D топологии микрометровых размеров (RIE, PE) - модуль «Микроплазма»;

7. стравливание фоторезиста (RIE, PE, IE) - модуль «Шлюз» или модуль «Микроплазма»;

8. формирование 2D топологии микрометровых размеров - микролокальное зондовое химическое осаждение из газовой фазы (NLZCVD) на основе 3D сканера на основе пьезодвигателей для позиционирования зонда и газовых инжекторов нанодоз 10-9 (нанограмм) технологических газов - модуль «СТМ-нанолитография»;

9. выращивание массивов вертикально ориентированных УНТ в качестве высокопористой среды с двойным электролитическим слоем (ДЭС) для суперконденсаторов (PECVD) - модуль «Нанотрава» для получения массивов УНТ посредством высокотемпературного каталитического синтеза с использованием CVD и PECVD процессов при низких давлениях на каталитических структурах V, Ti, Ni, Fe, Co, Y, смеси плазмообразующих газов Ar/H2/CH4, комбинации раздельных ВЧ и СВЧ разрядов;

10. формирование защитной диэлектрической плёнки (PECVD) - модуль «Изолятор»;

11. выгрузка из шлюзовой камеры подложки с микроструктурами - модуль «Переходник», модули «РРЦ» и модуль «Шлюз»;

12. общее управление прохождения технологического маршрута - модуль аналогово-цифрового управления второго уровня «Турбоком».

Рис. 15. Информационная структура МКНТУ. Блок-схема моделирования и генерации НТМК для МКНТУ для изготовления функциональных микросистем.

Создание МКНТУ с автоматическим управлением через ЛВС позволит проводить весь технологический цикл полностью в вакуумной системе с контролируемой химически инертной средой (Ar, N2), оборудованной вакуумными технологическими, транспортными, аналитическими модулями.

В результате всех операций МКНТУ позволяет формировать на одной подложке как аналоговые, так и цифровые микроструктуры с минимальными затратами на их производство за счёт гибкости перепроектирования, программной модификации топологий и параметров микросхем и локализации производства, что не маловажно на экспериментальном производстве.

Литература

1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. «Квантовая механика. Нерелятивистская теория», Теоретическая физика. Т. III, издание четвёртое, исправленное при участии Л.П. Питаевского, М., Наука, 1989, Глава III («Уравнение Шрёдингера»), параграф 22 («Потенциальная яма»).

2. Карлов Н.В., Кириченко Н.А. «Начальные главы квантовой механики», М., Физматлит, 2004, Глава 5. «Потенциальные ямы и квантование».

3. Данилин Б.С., Киреев В.Ю.//Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов, М.: Энергоатомиздат, 1987.

Размещено на Allbest.ru