Для решения образовательных задач

В рамках технологий обучения в системе непрерывного образования
«Школа-колледж-университет-последипломное образование»
«СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБУЧЕНИЯ В
СИСТЕМЕ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ В СФЕРЕ НАНО ТЕХНОЛОГИЙ»
Волкова Яна Борисовна
НОЦ «Наносистемы» каф. ИУ4
Москва 2011
1
Непрерывное образование на базе учебно-экспериментального
комплекса формирования компонентов наносистем
• Начальное общее образование
• Основное общее образование
• Профильно ориентированные
технологические лаборатории
для школьников
Среднее (полное)
общее образование
Высшее
профессиональное
образование
• Экспериментально прикладные
бакалаврские задачи
• Исследовательские магистерские
программы
• Повышение квалификации
Среднее профессиональное
образование. Колледж.
• Начальное профессиональное
образование
• Специальное профессиональное
образование
Аспирантура.
Докторантура.
Экспериментальные маршруты
для исследовательских задач
кадров высшей квалификации
2
Микро- и нано- технологии – совокупность наук
Изучение
наноструктур
и
наноматериалов,
как
направление
нанотехнологических и нанонаучных изысканий, базируется на нескольких
фундаментальных и прикладных науках, а также на исследовательских методиках.
Профильно ориентированные технологические лаборатории
для школьников
Цели проведения лабораторных работ:
•
•
•
Расширение
кругозора
в
области
профильной ориентации школьников.
Интеграция фундаментальных наук в
практические методы формирования и
результаты исследований микро- и наноструктур.
Получение практических навыков работы
в лаборатории.
Решаемые задачи:
•
•
•
•
Анализ элементарных методов и средств формирования микрои нано- структур.
Применение базовых средств и методов измерения микро- и
нано– структур.
Формирование общих представлений о микро- и наноструктурах.
Личностное развитие по направлению профильной ориентации.
4
Профильно ориентированные технологические лаборатории
для студентов колледжей
Цели проведения лабораторных работ:
•
•
•
Подготовка специалистов среднего звена, для
работы с технологическим оборудованием,
формирования и исследования микро- и наноструктур.
Расширение кругозора студентов в области
профессиональной деятельности.
Получение
практических
навыков
формирования и исследования микро- и наноструктур.
Решаемые задачи:
•
•
•
Анализ общих методов и средств формирования микро- и нано- структур.
Применение различных средств и методов измерения микро- и нано– структур.
Получение навыков анализа микро- и нано- структур, а так же исследования физикохимических характеристик поверхности
5
Профильно ориентированные технологические лаборатории
для студентов высших учебных заведений
Цели проведения лабораторных работ:
•
•
•
Подготовка специалистов советующего уровня профессиональных знаний и
навыков.
Получение практических и теоретических знаний по методам формирования,
моделирования, модификации и измерения микро- и нано- структур.
Изучение комплексов, установок и методов работы с микро- и нано- структурами.
Решаемые задачи:
•
•
•
Обновление и углубление знаний в направлении приобретения практических и
теоритических знаний в области формирования и измерений микро- и наноструктур;
Освоение прогрессивных методов, средств и технологий; расширения кругозора,
повышения профессиональной и общей культуры; изучения отечественного и
зарубежного опыта;
Привить практические навыки использования информационных технологий в
профессиональной деятельности;
6
Задачи ресурсного центра
Задача 1 : Формирование методической и материальнотехнической инфраструктуры подготовки и
переподготовки кадров по наноиндустрии
Задача 2 : Развитие инфраструктуры проведения
совместных научных исследований в кооперации с
центрами ННС и университетами
Задача 3: Формирование инфраструктуры
осуществления научно-информационного обмена и
мониторинга
7
Заказные НИКОР
Нац. проекты, ФЦП,
Программы МОН РФ
софинансирование
Подготовка и переподготовка
кадров для ННС на базе проектных
методов обучения
Университет
Проектные задания от ННС
Результаты
НИОКР,
патенты,
лицензии,
опытные образцы
Международные
Фонды и программы
Инкубатор
университета
НОЦ «Наносистемы»
1. Подготовка кадров
2. Проведение НИОКР
3. Научно-информационный обмен
и мониторинг.
Фонды содействия
малому
предпринимательству
РФФИ
Софинансирование НИОКР
и управление интеллектуальной
собственностью (бизнес инкубатор)
Малые фирмы
R&D центры
Лаборатории и
кафедры
Государственные ресурсы
Целевые
программы ННС
Инновационные
предприятия ННС
Кадровое обеспечение предприятий ННС
Область коммерциализации (предприятия ННС)
«Жизненный цикл ресурсного центра» (НОЦ, ЦКП)
Начальное
(посевное)
финансирование
Творческие
коллективы
Жизненный цикл «проектных технологий» обучения
Область
«Идея»
8
Лаборатория «Формирование наноструктур»
Формирование структуры
(напыление)
Формирование структуры
(осаждение)
Формирование структуры
(литография)
Функциональное
тестирование
(зондовая станция)
Измерения и контроль
качества
(микроскопия)
Испытания
и сертификация
Учебно-экспериментальный технологический цикл
формирования компонентов наносистем
Проектирование
структуры компонентов
наносистем
Научно-учебная лаборатория «Формирование наноструктур»
предназначена для обеспечения тестовыми образцами проектных
работ студентов, магистров и аспирантов по направлениям
наноинженерия и наноэлектроника, а также тест-образцов для
проведения лабораторных работ по микроскопии и
оптонаноэлектронике в лабораториях кафедры ИУ4.
Включает в свой состав несколько малогабаритных экономичных
настольных напылительных установок Scancoat Six, которые
предназначены для проведения лабораторных работ и начального
обучения студентов по использованию вакуумного
нанотехнологического оборудования.
Обеспечивает весь цикл подготовки образцов для традиционного
сканирующего электронного микроскопа (SEM). Система проста в
обращении и может использоваться для нанесения
высококачественных токопроводящих покрытий на разнообразные
образцы.
Учебные программы по специализации наноэлектроника в рамках
данной лаборатории реализуются при поддержке НИИ Системных
исследований (РНЦ Курчатовский центр»).
В рамках лаборатории работает студенческое конструкторское бюро
«Наносистемная техника и наноэлектроника».
9
Лаборатория «САПР наносистем»
Лаборатория «САПР наносистем» реализует образовательные
программы подготовки специалистов по направлению 551100
«Проектирование и технология производства ЭС» (направление:
«Наноинженерия и наноэлектроника») и включает в себя весь спектр
необходимого программного обеспечения для моделирования наносистем.
Задачи моделирования и автоматизированного проектирования
наносистем выходят в последнее время на первое место, они позволяют на
много снизить сроки разработки новых образцов и снизить финансовые
издержки на опытно-экспериментальные работы.
Задачи моделирования элементов МЭМС и НЭМС, тонкопленочных и
наноразмерных структур решаются с использованием таких современных
САПР как ANSYS, COMSOL (метод конечных элементов); APSYS (метод
конечных элементов для полупроводниковых наноструктур); IntelliSuite
(полный цикл разработки МЭМС), CODE V (оптическое моделирование),
MatLab (математическое моделирование), CADENCE (проектирование
приборов и систем), Mentor Graphics (проектирование электронных
приборов и устройств), SYNOPSYS (схемотехническое проектирование),
TCAD - SYNOPSYS (приборно-технологического моделирования
полупроводниковых структур), PTC Software and Services (САПР
электронно-механических систем), Solidworks (САПР конструкционных
систем), PROLITH (комплекс моделирования литографии компании
Компания KLA-Tencor).
Сеточная модель кантеливера СЗМ
Учебные программы по специализации наноэлектроника в рамках
данной лаборатории реализуются при поддержке НИИ Системных
исследований (РНЦ Курчатовский центр»).
10
Модуль «САПР наносистем»
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ
Для решения образовательных задач:
 проведение практикумов и мастер классов
по блоку дисциплин «САПР наносистем»:
- «Автоматизированное проектирование
наносистем»;
- «Моделирование физико-механических
компонентов наносистем»;
- «Моделирование МЭМС и НЭМС»;
- «Моделирование объектов средаструктура в САПР наносистем»;
 выполнения курсовых работ по специал.
«САПР наносистем»;
 проведения научно-исследовательских
работ;
 подготовки бакалаврских и магистерских
диссертаций с
использованием
современного программного обеспечения;
 повышения квалификации
и
переподготовки
профессорскопреподавательского состава.
Для решения экспериментальных задач:
 проведение
фундаментальных
исследований по проблемам
моделирования наносистем и разработки
САПР наносистем;
 выполнения научно-исследовательских и
опытно - конструкторских работ по
разработке наносистем с использованием
современных промышленных САПР;
 выполнение научно-исследовательских и
опытно-конструкторских работ по
разработке аппаратно-программных
средств автоматизации проектирования,
направленных на повышение
эффективности использования средств
САПР при создании наносистем;
 консалтинг представителей
промышленности по внедрению САПР и
ИКТ в наноинженерии.
 разработка нормативно-технической
документации.
11
Лаборатория «Микроскопии»
Лаборатория «Микроскопии» специализируется на проведении
исследований микро и наноструктур. Среди разработок лабораторий:
электрохромные покрытия оптических систем, фильтры Фабри Перо
высокой разрешающей способности, Разработка нейросетевых методов
распознавания изображений при дефектоскопии проводящих микро- и
наноструктур, разработка активных виброзащитных систем от
низкочастотной
вибрации
нанотехнологичсеких
измерительных
комплексов и т.п.
Лаборатория
Микроскопии
укомплектована
измерительным оборудованием с высоким разрешением:
•
•
•
•
•
•
современным
Сканирующими зондовыми микроскопами (СЗМ) NanoEducator_v.I.
Оптическими микроскопами IntelPlay, Zeiss Stereo_v.8, Zeiss Axio_v.2.
Научно-исследовательским сканирующим зондовым микросокпом
Solver PRO 47 –
Сканирующим туннельным микроскопом производства концерна
Наноиндустрия «Умка»
Спектроэлипсометром «Эльф» концерна Наноиндустрия.
Конфокальным Рамановским микроскопом
Учебные программы по специализации наноэлектроника в рамках
данной лаборатории реализуются при поддержке НИИ Системных
исследований (РНЦ Курчатовский центр») и ФТИАН РАН.
12
Нанотехнологии – наука среди наук!
Размер: 12.5x13.0 mkm
АСМ изображение эритроцитов
Размер: 16x16x2 mkm
Лимфоциты человеческой крови
Современные микросхемы
Технологии позволяют изготовить
микросхемы,
в
которых
характеристическая величина, равная
половине расстояния между каждым
элементом памяти составляет 32 нм.
Intel Xeon L3406
В настоящее время одной из
общих
тенденций
развития
современной
техники
является
миниатюризация
функциональных
устройств.
4 мкм
Микросхемы будущего
Микросхемы из нанопроводов еще и в 10 раз
энергоэффективнее, чем из обычных материалов. Одной
из причин являются их электрические свойства, которые
не позволяют току рассеиваться, как случается с
обычными
транзисторами.
Другая
причина
–
использование в микросхеме емкостных соединений
вместо менее эффективных резистивных.
Структура полевого транзистора,
соединенного нанопроводами.
Модуль микроскопии
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ
Для решения образовательных задач:
-Обеспечивает проведение лабораторных
практикумов и практических занятий по
дисциплинам ГОС подготовки бакалавров/
магистров по Нанотехнологии с профилем
подготовки наноинженерия:
- сканирующая зондовая микроскопия
- сканирующая тунельная микроскопия
- оптическая микроскопия, профилометрия
эллипсометрия и т.п.
-Обеспечение функций контроля качества
образцов и тест-структур при выполнении
курсовых проектов и курсовых работ.
-Освоение базовых методик микроскопии
согласно перечню ГОС.
Для решения экспериментальных задач:
Обеспечение реализации следующих
базовых методик микроскопии:
1. Сканирующая туннельная
микроскопия (СТМ)
2. Контактная сканирующая атомносиловая микроскопия (КАСМ)
3. Прерывисто-контактная сканирующая
силовая микроскопия
4. Бесконтактная атомно-силовая
микроскопия (Non Contact AFM)
5. Многопроходные методики
(Many-pass techniques)
6. Ближнепольная оптическая
микроскопия (БОМ)
7. Оптическая микроскопия
7.1. Спектроскопия
7.2. Эллипсометрия
7.3. Оптическая профилометрия
7.4. Раман-спектроскопия
7.5. Рентген
8. Электронная микроскопия
16
Модуль формирования наноструктур
Подготовительные операции
удаление
органических
пленок
и загрязнений
Нанесение
резистивных
масок
удаление остатков
металлов
и загрязнений
Отмывка между
технологическими
операциями
удаление
остатков
двуокиси кремния
Стол и оснастка для
проведения жидкостных
процессов и
приготовления растворов
Центрифуга для
нанесения
резиста
Контроль заготовок
образцов
Для проведения полного цикла получения образцов необходимо реализовать следующие
подготовительные операции:
• Очистка поверхностей
• Нанесение резиста
• Отмывка между технологическими операциями
17
Модуль формирования наноструктур
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ
Для решения образовательных
задач:
Для решения экспериментальных
задач:
• жидкостные процессы – самые
простые и понятные процессы,
необходимы для полного понимания
изучаемых базовых
технологических процессов
формирования компонентов
наносистем
• простое и быстрое (в течении одной
Лабораторной работы без предвариТельной подготовки) получение
экспонированного изображения
• лёгкость эксплуатации и
обслуживания
• большое количество реализуемых
процессов
• возможность работы с веществами
для нескольких процессов
• гибкость системы для применения
к любому тех. процессу
(обеспечивают следующие базовые
техоперации: нанесение пленки
резиста и сушку, совмещение и
экспонирование, проявление).
18
Модуль формирования наноструктур
Литография
Установка совмещения и
экспонирования применяется для
формирования рисунка в
фоторезисте
www.neutronixinc.com
19
Модуль формирования наноструктур
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ
Для решения образовательных
задач:
Для решения экспериментальных
задач:
• простая и удобная в использовании
система
• быстрое получение (цикл менее 1
часа) экспонированного
изображения
• лёгкость управления и
обслуживания
•высокая точность совмещения
(1мкм)
• лампа с длиной волны 280 нм для
проектной нормы до 150 нм
• ИК выравнивание задней
поверхности для большей точности
совмещения
•Параметры:
Контактная литография 6”
пластины + кусочные образцы
Шаблоны от 2,5х2,5” до 7х7”
Разрешение < 1 мкм
Совмещение < 2 мкм
Точность стола XY +- 3,8 мм
Точность стола Z < 50 нм
20
Модуль формирования наноструктур
MantisDeposition Qprep 500
Система магнетронного
осаждения, применяется
для получения тонких плёнок
металлов, оксидов
и диэлектриков
Используемые газы:
- аргон и кислород для всех установок,
- CF4(RIE), SF6(RIE), TEOS(PECVD),
N2(PECVD), N2O(PECVD).
http://www.mantisdeposition.com/
21
Модуль формирования наноструктур
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ
Для решения образовательных
задач:
Для решения экспериментальных
задач:
• простая и удобная в использовании
система
• модульная система облегчает
обучение и эксплуатацию
• большое количество реализуемых
процессов
• оптимальные технические
параметры и минимальное
занимаемое пространство
• высокое качество проводимых
процессов
• большое количество опций делает
систему очень гибкой
22
Модуль формирования наноструктур
TrionTech Orion III
Система осаждения из газовой фазы,
стимулированной плазмой, применяется
для осаждения слоёв кремния, его оксидов
и нитридов, тантала, вольфрама и углеродо
содержащих соединений
http://www.triontech.com/orion.htm
23
Модуль формирования наноструктур
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ
Для решения образовательных
задач:
Для решения экспериментальных
задач:
• простая и удобная в использовании
система
с лёгким интерфейсом значительно
упрощает
освоение и работу на ней
• гибкая система настроек для
получения необходимого результата
• большой выбор осаждаемых
покрытий
• большое количество реализуемых
процессов
• оптимальные технические
параметры и минимальное
занимаемое пространство
• высокое качество проводимых
процессов
• большое количество настроек и
готовых схем процессов
• повышенная мощность осаждения
24
Модуль формирования наноструктур
TrionTech Sirus T2
Система реактивно-ионного травления кремния и его соединений, а также некоторых
металлов. Позволяет проводить выборочное травление покрытий, получая структуры
заданных размеров.
http://www.triontech.com/sirus_T2_table_top.htm
25
Модуль формирования наноструктур
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ
Для решения образовательных
задач:
Для решения экспериментальных
задач:
• простая и удобная в использовании
система
с лёгким интерфейсом значительно
упрощает
освоение и работу на ней
• гибкая система настроек для
получения необходимого результата
• большое количество реализуемых
процессов
• оптимальные технические
параметры и минимальное
занимаемое пространство
• высокое качество проводимых
процессов
26
Модуль «Испытаний, сертификации и метрологических исследований»
Функциональное тестирование
Зондовая станция SUSS EP6 - решение для конкретных задач
пользователя для измерений на пластинах до 150 мм (6 дюймов).
Пользователю теперь не нужно ломать голову, выбирая из нескольких
видов зондовых головок, манипуляторов, рук, типов крепления
манипуляторов, игл и т.п. Готовое решение позволяет достать
установку из коробки, подсоединить провода и начать работать сразу
же, буквально в течение одного часа. Новые возможности системы: Для использования на пластинах до 150 мм (6 дюймов)
- Высокая механическая аккуратность и точность, высокая
эргономика
Тестер Formula HF предназначен
для проведения динамического ф
ункционального контроля СБИС,
контроля и измерения статических
параметров
Тестер Formula TT - тестер полупр.
приборов, предназначен для контроля
статических параметров транзисторов,
диодов, стабилитронов, тиристоров и
оптопар на пластине и в корпусе и т.п.
Тестер Formula 2K - универсальный
тестер для контроля аналоговых и
цифровых компонентов наносистем,
БИС и ИМС, ОЗУ, и
27
межоперационного контроля
ИКТ Инфраструктура
Мультимедиа лекции
(видеоконференцсвязь)
Суперкомпьютер
«СКИФ МГУ»
Вычислительный
центр
Томского
Университета:
суперкомпьютер
«СКИФ Cyberia»
Центр компетенции
Инженерно
-промышленных
расчетов на
базе СанктПетербургского
государственного
политехнического
университета
Лабораторный комплекс
(интернет доступ к уникальному
оборудованию)
РЕСУРНЫЕ ЦЕНТРЫ И ПОЛЬЗОВАТЕЛИ ННС
Мобильные мультимедийные
классы
Вычислительный кластер
Т-платформ
Тестирование и методическое
сопровождение учебного
процесса
«Электронный университет»
«Электронный деканат»
«Электронная кафедра»
Модуль «Испытаний, сертификации и метрологических исследований»
Виброиспытания
Компактный вибростенд с низким уровнем шума (Номинальное усилие:
гармонические колебания - 300 Н, - случайные колебания 210 Н (среднеквадратичное),
ударные колебания - 300 Н пиковое, максимальное ускорение -500 м/с2, максимальная
скорость - 1,6 м/с, максимальное смещение - 26 мм (от пика к пику), масса арматуры 0,6 кг, диапазон частот - 5~3 000 Гц). (Компания IMV Япония).
Испытания на воздействия температуры и влажности
Камера температуры и влажности настольного типа (Модель SH 221, компания ESPEC,
Япония). Проведение испытаний показателей стойкости к воздействию высокой
температуры (+150) и низкой (-80) температур, показателей стойкости к влаге, низкой
влажности, хранения, определения срока службы, параметров износа и старения.
Дефектоскопия и мониторинг тепловых полей
Система тепловизионного контроля тепловых полей на базе тепловизора ИРТИС 2000
29
Модуль «Испытаний, сертификации и метрологических исследований»
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ
Для решения образовательных
задач:
Для решения экспериментальных
задач:
• большое количество проводимых
процессов испытаний позволяет
провести весь цикл сертификации
• легкость освоения и управления
• простота подготовки образцов
• большое количество реализуемых
процессов испытаний
• гибкость системы позволяет
адаптировать систему под любую
задачу тестирования
• разнообразие методов тестирования
позволяет проводить все
необходимые испытания
разрабатываемых конструкций
30
Мультисервисная информационная система комплекса
Дистанционное образование и
метод обмен
МИОС УНЦ
БД образовательных ресурсов
Доступ удаленных
пользователей к
образовательным
ресурсам
Обмен опытом
Проведение
видеоконференций
Взаимосвязь
Центр - Филиал
Школьная
нанолаборатория
Стажировки,
практики,
трудоустройство
Международная
кооперация и
стажировки
Удаленный доступ к
уникальному оборудованию
БД подготовки специалистов по
направлениям
МИОС – средство для предоставления мультимедийного образовательного контента
GRID – архитектура построения распределенных информационных систем
31
Вычислительный кластер «ИКТ и САПР наносистем»
Архитектура модуля
«Мультисервисная информационно-образовательная среда
и САПР наносистем»
32
Вычислительный кластер «ИКТ и САПР наносистем»
Тонкие клиенты IGEL-9319 LX Elegance
Тонкие клиенты IGEL-9619 XP Elegance
Высокая производительность и широкие возможности
операционной системы Flash Linux
Последняя версия операционной системы MS Windows
XPe
19-ти дюймовый TFT монитор
19-ти дюймовый TFT монитор
Доступ к веб приложениям с помощью веб браузера с
интегрированной Java
Широкий выбор интерфейсов для соединения
периферийными устройствами
M - Player для мультимедиа приложений
Безопасный доступ к данным и удобность использования
для сотрудников благодаря использованию Smartcard
Reader.
Безопасный доступ к данным и удобность использования
для сотрудников благодаря Smartcard Reader.
33
Триединая компетентностная модель развития
инфраструктуры научных образовательных центров
Уровень университета (региона)
НОЦ – как центр коллективного пользования уникальными методиками и
оборудованием для решения прорывных задач в рамках региональной и
международной научной кооперации.
Уровень факультета
НОЦ – как научно-образовательная
инфраструктура обеспечения
межкафедральных учебных
курсов, НИОКР и проектов СНТО.
Уровень кафедры
НОЦ – как образовательная
инфраструктура подготовки кадров
на основе проектных методов обучения.
34
Контакты
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»
Кафедра ИУ4 «Проектирование и технология производства электронно-вычислительных средств»
Волкова Яна Борисовна
E-mail: Volkova.Y.B@gmail.com
НОЦ «Нанотехнологические системы и наноэлектроника»
35