Нанотехнологии. Правда и вымысел - Виктор Балабанов

Таблица 11. Прикладные методы силовой зондовой микроскопии

С момента создания сканирующего туннельного, а затем и атомного силового микроскопа эти приборы из аналитических установок превратились в инструменты локального модифицирования и структурирования поверхностей на нанометровом уровне. Основные факторы данных технологических процессов определяют локальные электрические поля (сравнимые с внутримолекулярными и атомными), супервысокие плотности токов и вызываемое ими электродинамическое воздействие, а также сверхплотные локальные потоки теплоты и механические деформации.

Раздельное или совместное действие этих факторов может приводить к регистрируемой локальной наномодификации или наноструктурированию поверхностей. При использовании сканирующих зондовых микроскопов как источника электронов для экспонирования электронорезистов и последующего проявления в стандартных растворах достигается разрешение до 50 нм. Так, методом, основанным на переносе молекул с зонда на подложку посредством диффузии через мениск воды, разъединяющий зонд и подложку, были нанесены линии до 12 нм на расстоянии 5 нм одна от другой.

Путем термомеханического стимулирования фазового перехода «полимер – стекло» обеспечивается формирование углублений в пленках поликарбоната размером до 100 нм. Термомеханическая литография является базовой идеей создания терабитных запоминающих устройств, разработанных компанией IBM.

Широкое распространение в зондовой литографии получил метод локального зондового окисления (оксидирования), который позволяет создавать оксидные области с типичными линейными размерами 3 нм (рис. 59).

Рис. 59. Схема процесса локальной нанолитографии (оксидирования)

Локальный управляемый межэлектродный поатомный массоперенос с применением силового туннельного микроскопа – в настоящее время единственный метод получения предельной миниатюризации при формировании наноразмерных объектов. Пример полученного изображения был ранее представлен на рис. 4, при этом полутона формируются поточечным оксидированием (с различным потенциалом) поверхности.

В настоящее время рассматриваются некоторые потенциальные технологии создания наноэлектрических приборов: лазерная 193-нм литография, имеющая возможности преодолеть дифракционный предел, экстремальная ультрафиолетовая литография (ЭУФЛ) с длиной волны 13 нм, а также печатная литография (наноимпринтинг).

В августе 2006 года в Колледж научных наноисследований и разработок (College ofNanoscale Science andEngineering (CNSE)) при Университете Олбани (США) голландской компанией ASML совместно с Nikon впервые в мире были поставлены установки ЭУФЛ – Alpha Demo Tool (ADT) стоимостью 65 млн долларов. Это оборудование было предназначено не для производства, а только для исследовательских целей. Установку интегрировали в нанотехнологический комплекс (Albany NanoTech Complex) международного промышленно-университетского консорциума International Venture for Nanolithography (Invent). Членами глобального консорциума Invent являются такие лидеры мирового рынка электронной техники, как IBM, AMD, Qimonda и Micron Technology. При этом в выполнении исследовательских программ ЭУФЛ в CNSE намерены также принять участие японские компании Sony и Toshiba.

Следующую демонстрационную ЭУФЛ-установку компания ASML поставила в бельгийскую исследовательскую организацию IMEC , которая заключила соглашение о совместном проведении экспериментов в области ЭУФЛ с исследовательской группой IMEC и американским CNSE. Вначале исследования будут проводиться в США на Олбанском нанотехнологическом комплексе CNSE, а затем – отдельными исследовательскими центрами в зависимости от готовности к работе соответствующего оборудования.

Общая цель участников проекта – показать достоинства и практическую возможность реализации ЭУФЛ для формирования 32-нм (и ниже) рисунка наноэлектронных приборов.

Корпорация Intel , один из лидеров в разработке электронного оборудования 32-нм технологии и потенциальный потребитель ЭУФЛ-установок, продолжила исследования различных методов совершенствования существующей лазерной 193-нм литографии для использования ее в более низком топологическом размере. Не получив вовремя необходимые материалы и оборудование для ЭУФЛ, корпорация в настоящее время рассматривает данный метод для возможной реализации 22-нм технологии ориентировочно только в 2011 году.

Японская компания Toshiba на установке Imprio 250 компании Molecular Imprints Inc. (США) методом наноимпринтинга изготавливает опытные образцы с суб-20-нм разрешением при 1-нм однородности воспроизведения критических размеров. Ее достижения в этой области заставляют чипмейкеров обратить на данную технологию пристальное внимание. В настоящее время инфраструктура и возможности импринтинга достаточно развиты в производстве светодиодов и жестких дисков.

В апреле 2007 года в США поступили в продажу компьютеры с емкостью жесткого диска 1 Тб (1012 байт). На нем можно разместить информацию, равнозначную 50 млрд печатных страниц (для производства такого количества бумаги необходимо было бы переработать около 50 тыс. деревьев), 380 ч (около 16 суток) видеоматериала в формате DVD, миллион фотографий в высоком разрешении или около 250 тыс. музыкальных файлов (от полутора до двух лет беспрерывного прослушивания).

Вероятно, в наиболее быстрых и производительных компьютерах будущего будет использоваться именно наноэлектронная технология, возможно спинотроника или фотоника. Однако не исключено, что самые малые компьютеры создадут на принципиально другой элементной базе. По Э. Дрекслеру, такой базой может стать наномеханика. Им предложены механические конструкции для основных компонентов нанокомпьютера – ячеек памяти, логических байтов. Основными их элементами являются вдвигаемые и выдвигаемые стержни, взаимно запирающие движение друг друга.

К отдельному направлению нанотехнологических исследований следует отнести работы по формированию (наноинженерии) поверхности для получения заданных функциональных свойств с высокими прочностными и триботехническими характеристиками.

Для этих целей широко используется PVD-метод нанесения нанопокрытия (PVD – Physical Vapour Deposition – физическое парофазное осаждение) и CVD-метод (CVD – Chemical Vapour Deposition – химическое парофазное осаждение), причем CVD-метод нанесения принципиально проще реализовать. Поскольку осажденные слои временами имеют толщину слоя в диапазоне нескольких мкм, используются также термины «тонкопленочная техника», «тонкопленочная технология» и «тонкие пленки».

Технология химического осаждения (CVD-метод) практически не имеет ограничений по химическому составу применяемых для нанесения материалов, а следовательно, и структуре получаемых покрытий. При этом частицы могут быть осаждены на всю поверхность обрабатываемой детали. Участки, где покрытие не требуется, покрываются специальными защитными составами.

Осуществление CVD-метода при заполнении пространства реакционно-способным газом (кислородом, азотом или углеводородами) в результате химической реакции между атомами осаждаемых металлов и молекулами газа позволяет производить нанесение оксидных, нитридных и карбидных покрытий.

Для получения одинаковых свойств всего покрытия в объеме рабочей камеры (особенно большой) необходимо обеспечить оптимальные потоки газа. С этой целью применяются специальные системы подачи газа – так называемый газовый душ.

Установки для CVD-метода, как правило, имеют достаточно большие габариты, на которых для предотвращения опасных выбросов технологических газов в атмосферу используются специальные системы высококачественных фильтров.

Технология нанесения нанопокрытий физическим методом (PVD-метод), при которой металлы, сплавы или химические соединения осаждаются в глубоком вакууме путем подвода тепловой энергии или бомбардировки частицами, заключается в том, что материал покрытия различными способами переводится из твердого состояния в паровую фазу и затем конденсируется на поверхности подложки (рис. 60).

К PVD-методам относят также ионное плакирование и катодное распыление (ионно-плазменное распыление). При реализации систем PVD применяются камерные печи сопротивления для создания глубокого вакуума менее 10-5 мбар (рис. 61).

Рис. 60. Схема PVD-метода нанесения нанопокрытия: 1 – дверь; 2 – обрабатываемая деталь; 3 – металлизатор; 4 – вакуумная камера (печь); 5 – трубопровод к вакуумному насосу; 6 – нагревательный элемент