Способ локального осаждения ядерного материала

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Национальный исследовательский ядерный университет

«МИФИ»

Физико-технический факультет

Кафедра №78 «Физико-технических проблем метрологии»

ОТЧЕТ

о прохождении производственной практике на тему:

Оценка эффективности создания термоэлектрогенератора микронного размера.

Введение

Создание миниатюрных источников энергии длительного срока жизни является очень актуальной задачей для дальнейшего развития нанотехнологий. Для макрообъектов есть такая технология, как Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи), которые используются как источники электропитания в навигационных маяках, радиомаяках и метеостанциях. Принцип их действия в преобразовании тепловой энергии распада высокоактивного стронция в электричество.

Идея масштабирования этой технологии в микроразмеры появилась относительно давно, но все рассматривали ее как неперспективную в связи с тем, что с уменьшением размера источника, помимо уменьшения эффективности нагрева за счет распада, возникает задача создания эффективных микроразмерных термоэлектрогенераторов, а отсюда уже вытекает цель работы - оценить потенциальную эффективность радиоизотопного термоэлектрогенератора микронных размеров. Для этого были поставлены следующие цели:
а) сделать выбор ядерного материала для радиоизотопного термоэлектрогенератора микронных размеров;
б) предложить способ локального осаждения ядерного материала;
в) оценить потенциальную эффективность подобного РИТЭГ.

Выбор ядерного материала для радиоизотопного термоэлектрогенератора микронных размеров

Источником тепла, или топливом радиоизотопных источников тока являются достаточно короткоживущие радиоактивные изотопы различных химических элементов, неустойчивые к альфа-распаду и бета-распаду. Основными требованиями к изотопам и, соответственно, к источникам тепла изготовленных из их соединений и сплавов являются: достаточно большой период полураспада, безопасность в обращении и эксплуатации (желательно отсутствие жёсткого гамма-излучения и нейтронов), высокая температура плавления сплавов и соединений, большое удельное энерговыделение.

Радиоактивное излучение*, образуемое в результате распада, должно легко преобразовываться в тепло. Оно так же не должно быть проникающим. Нейтронное и гамма-излучение по этим причинам не подходят. Лучше всего подойдет альфа-излучение, так как почти не требует экранирования. Бета-излучение и рентгеновское уже требуют защитную свинцовую оболочку, что ведет к увеличению веса установки.

Вывод: рекомендуется использовать альфараспадчики, например, плутоний238.

Способ локального осаждения ядерного материала

Одним из способов локального осаждения ядерного материала является нанолитография.

Нанолитографией в микроэлектронике называют различные методы микрогравировки диэлектрических, металлических и полупроводниковых слоев, используемых при изготовлении ИМС. Существуют виды литографии, основанные на использовании электромагнитного излучения, потоков электронов и ионов, силового воздействия зондом на поверхность в наномасштабе. В этой связи разработаны оптическая, рентгеновская, электронно-лучевая, ионная литографии. Разрабатываются и другие варианты литографии специально для нанотехнологий – импринт-литография и зондовая нанолитография.

Основным вариантом литографии в настоящее время остаётся оптическая, в которой используется видимое и примыкающее к нему ультрафиолетовое излучение. Этот вариант литографии называется фотолитографией. Фотолитография представляет собой метод фотохимической микрогравировки слоёв. Фотолитография может быть контактной и проекционной. В контактной литографии на слой фоторезиста накладывается фотошаблон. В проекционной фотолитографии фотошаблон не контактирует с фоторезистом, а отделён от него специальной оптической проекционной системой. Эта система фокусирует изображение рисунка фотошаблона в плоскости расположения слоя фоторезиста (обычно с уменьшением масштаба). В настоящее время в серийном производстве микросхем используется преимущественно проекционная литография.

Основные этапы контактной фотолитографии включают:

- нанесение на пластину кремния диэлектрика, обычно диоксида кремния SiO 2;

- нанесение на слой диэлектрика фоточувствительного слоя – фоторезиста;

- наложение на слой фоторезиста фотошаблона, который отображает соответствующую часть топологии ИМС.

Фотошаблон представляет собой непрозрачную пластину с прозрачными участками, дублирующими форму и местоположение

будущих активных элементов микросхемы;

- экспонирование фоторезиста (в простейшем варианте видимым или ультрафиолетовым светом); экспонирование изменяет скорость последующего растворения фоторезиста в специальном травителе;

- удаление фотошаблона;

- травление фоторезиста; участки, подвергнутые излучению, вытравливаются до слоя окисла;

- вытравливание отверстий («окон») в слое диэлектрика через отверстия в фоторезиста;

- удаление фоторезиста.

Наименьший размер элемента ИМС определяется возможностями литографии. В этой связи возникает вопрос о разрешающей способности литографии, которая ограничена как техническими, так и физическими факторами.

Расчеты

Для того, чтобы определить температуру и мощность источника, необходимо решить задачу теплопроводности.

Температура источника из плутония 511 К.

Температура источника из тория 300,0000004 К.

График зависимости расстояния от источника от температуры