Лекции7

Физика, технология и элементная база
современной электроники
Нанотехнологии
Плюснин Николай Иннокентьевич,
д.ф.-м.н.,
проф. кафедр:
ИСКТ ВГУЭС, и КПРЭА ДВГТУ,
зав. лаб. ИАПУ ДВО РАН
1
Нанотехнологии
Существуют различные направления нанотехнологии:
• А) проектирование и изготовление разумных
миниатюрных машин (роботов),
запрограммированных на выполнение определенных
задач;
• Б) манипулирование материалами в атомном и
молекулярном масштабах, в том числе для создания
деталей микроскопических устройств (роботов);
• В) самоорганизующееся производство структур,
объектов, материалов.
2
Нанотехнологии
Нанотехнологии Б-типа.
Технология, разработанная профессором Стивеном Чоу
(Stephen Chou) из Пристонского университета. Суть
метода заключается в следующем: к кристаллу кремния
прикладывается кварцевая матрица, которая, будучи
раскаленной при помощи лазера, оставляет в этом
кристалле отпечаток. Такая методика позволяет в сто раз
увеличить плотность компоновки, избавиться от
применения химикатов и, соответственно, снизить
стоимость производства. Кроме того, внедрение нового
технологического процесса в очередной раз подтвердит
закон Мура, согласно которому быстродействие
компьютерных процессоров должно удваиваться каждые
полтора года.
3
Нанотехнологии
Консорциум, в который входят Intel,
IBM, Motorola и три национальные
исследовательские лаборатории,
планирует представить прототип
машины миниатюрной литографии «Steppler». Машина использует
новую технологию
ультрафиолетовой литографии для
того чтобы создавать ультратонкие
проводники на кремниевой
подложке. Для наилучшей
фокусировки мощных лазеров,
первоначально разработанных для
военных целей, используются
прецизионные зеркала,
применяемые для астрономических
исследований.
4
Нанотехнологии
Последнее направление «В» делится на три: «мокрая»,
«сухая» и компьютерная нанотехнологии.
Под «мокрой» нанотехнологией понимают использование
технологии эволюции биологических систем, которые
существуют предпочтительно в водной среде. Такие
технологии вовлекают в свой процесс генетический
материал, мембраны, ферменты (биокатализаторы) и
другие компоненты биологических клеток. В результате
получают структуры нанометрового размера, подобно
тем, которые возникли и развиваются в результате
эволюции организмов.
5
Нанотехнологии
«Сухая» нанотехнология основана на законах физической
химии и науки о поверхностных явлениях. Она
сосредоточена на получении наноструктур (нанотрубок,
нанолент, нанокластеров) из углерода, кремния,
различных металлов и других неорганических
материалов, самоорганизованных или упорядоченных в
ансамбли. Конечная ее цель – создание функциональных
устройств на основе таких ансамблей наноструктур. При
этом, как и в «мокрых» структурах, в какой-то степени
используется способность этих наноструктур к
самосборке в ансамбли. К числу сухих нанотехнологий
также относят получение наноматериалов, частицы или
слои которых измеряются несколькими нанометрами или
десятками нанометров (нанокристаллы, нанокомпозиты).
6
Нанотехнологии
И компьютерная нанотехнология позволяет моделировать
эволюцию сложных органических и неорганических
молекул и систем, предсказывать их поведение и их
относительную устойчивость. Для эволюции (отбора)
подобных систем с использованием невиртуальных
(физических, химических и д.р.) технологий требуется
немалое время, если учесть, что природа создавала
такие сложные системы сотни миллионов лет.
Компьютерное моделирование и расчет позволяют
значительно сократить этот период.
7
Нанотехнологии
В 1981 году был сделан кардинально новый шаг в
направлении «Б» - наноманипулировании атомами. Этот
шаг открыл возможность создания высоколокальных - с
точностью до отдельных атомов - низкоэнергетичных
технологических процессов. Г. Бининг и Г. Рорер,
сотрудники швейцарского отделения компании IBM,
создали сканирующий зондовый туннельный микроскоп,
за который они в 1985 году были удостоены Нобелевской
премии. Основой изобретенного микроскопа является
очень острая игла-зонд, скользящая над исследуемой
поверхностью с зазором менее одного нанометра. При
этом электроны с острия зонда туннелируют через этот
зазор в подложку.
8
Нанотехнологии
Рис.1 а) - принцип действия СТМ: рx ,
рy , рz - пьезоэлементы; z туннельный вакуумный промежуток
между острием-зондом и образцом; It
- туннельный ток; б) - схема,
иллюстрирующая работу СТМ:
туннельный ток, возникающий при
приложении напряжения Vs ,
поддерживается постоянным за счет
цепи обратной связи, которая
управляет положением острия с
помощью пьезоэлемента рz .
Осциллограмма напряжения Vz в
цепи обратной связи при
одновременном воздействии
пилообразного напряжения
развертки вдоль осей x и y дает
изображение, являющееся своего
рода репликой поверхности образца
9
Нанотехнологии
Рис. 2. а) СТМ-изображение
поверхности золота Au(110), на
котором отчетливо видны атомная
сверхструктура и линии ступеней.
Исторически это самое первое СТМизображение с атомным разрешением
(март 1982 г.), полученное Биннигом и
Рорером. Оно сравнительно долгое
время оставалось неопубликованным
(Surf. Sci. 1983. Vol. 131. P. L379)
отчасти из-за более впечатляющих
СТМ-изображений поверхности Si(111)(см. рис. 3), полученных осенью того
же года;
б) модель
поверхности Au(110);
в) атомная
структура поверхности Au(110) в
режиме "серой" шкалы
10
Нанотехнологии
Рис. 3. СТМ-изображение
реконструированной (7х7) поверхности
кремния Si(111) (1983):
а) рельеф поверхности, полученной из
записей осциллограмм напряжения Vz
; напряжение смещения Vs = + 2,9 В;
б)- СТМ-изображение такой же
поверхности, но полученное в режиме
"серой" шкалы после фильтрации
сигнала и его математической
обработки; Vs = =+1,96 В, туннельный
ток It = 4*10-10 А. Черным ромбиком
выделена элементарная ячейка;
в) DAS-модель Такаянаги
реконструкции (А - вид сверху, Б - вид
сбоку); Элементарная ячейка содержит
12 адатомов и 9 димеров
11
Нанотехнологии
Рис. 4. СТМ-изображения
поверхности Si(111)- при разных
напряжениях смещения: а - Vs = + 2,4
В, так называемое изображение
заполненных состояний, электроны
туннелируют из острия в образец; б Vs = - 2,4 В, изображение
незаполненных состояний,
электроны туннелируют из образца в
острие-зонд; в - Vs = +1,6 В,
изображение заполненных
состояний, полученное в режиме
линейной шкалы; стрелками указаны
угловые дырки
12
Нанотехнологии
Таким образом сильная зависимость тока туннелирующих
электронов от расстояния (при изменении зазора на одну
десятую нанометра ток изменяется в 10 раз) обеспечила
высокую чувствительность и высокую разрешающую
способность сканирующего туннельного микроскопа.
Стабильное удержание иглы на столь малом расстоянии
от подложки обеспечивается применением в СТМ
электронной следящей системы, управляющей пьезоманипулятором иглы. Измеряя величины управляющих
сигналов определяют высоту исследуемой области
поверхности. Сканируя над исследуемой поверхностью,
по результатам измерений высот различных областей
определяют профиль поверхности с точностью до
отдельных атомов
13
Нанотехнологии
Создание нового типа сканирующих зондовых
микроскопов открыло принципиально новый путь
формирования элементов нанометровых размеров. Были
получены уникальные результаты по перемещению
атомов, их удалению и осаждению в заданную точку, а
также локальной стимуляции химических процессов.
Обычно, для измерения между зондом и проводящей
подложкой, прикладывают низкие напряжения в
несколько милливольт. При проведении
нанотехнологических процессов прикладываются
напряжения в несколько вольт и даже десятков вольт, что
позволяет активизировать проведение атомномолекулярных процессов, характеризующихся переносом
атомов, вплоть до локального испарения, а также
стимулировать локальные химические реакции.
14
Нанотехнологии
15
Нанотехнологии
Сформированные нанопроводники
16
Нанотехнологии
Формирование проводников для полевого нанотранзистора
17
Нанотехнологии
Нанотехнологические процессы могут проводиться в
различных средах: вакууме, газах и жидкостях. В
вакууме, в основном, проводятся процессы полевого
испарения материала с иглы на подложку и наоборот.
Значительно большие технологические возможности
открываются в установках с напуском технологических
газов. В газовых средах проводят локальные химические
реакции, позволяющие, по сравнению с вакуумными
установками, расширить диапазон используемых
материалов, повысить производительность
технологических установок.
18
Нанотехнологии
Напуск технологического газа или паров вещества,
используемых в технологической реакции, приводит к
образованию на поверхности подложки
адсорбированного слоя. Зонд сканирующего туннельного
микроскопа приближается к поверхности подложки и
практически погружается в адсорбированный слой.
Приложение напряжения между зондом и подложкой
стимулирует прохождение нескольких процессов:
19
Нанотехнологии
20
Нанотехнологии
•поверхностной миграции полярных молекул
адсорбированного вещества к зонду;
•поляризации вещества под зондом;
•удаления вещества из-под зонда за счет
пондеромоторных сил, нагрева и т. д.;
•возникновения и поглощения плазмонных колебаний;
•межатомного взаимодействия зонда, подложки и
вещества;
•локальных химических реакций.
21
Нанотехнологии
•Зонды:
•из мономатериалов, например вольфрама, с оптимальной
формой для высокоскоростного сканирования и радиусом
вершины менее 100 Aо;
•с гидрофобным покрытием для проведения исследований
на влажной поверхности биообъектов;
• с изолирующим на боковой поверхности покрытием для
проведения электрохимических экспериментов;
•с термической активацией вершины для повышения
эффективности локальных воздействий;
•с плазмонной активацией вершины для стимулирования
локальных химических реакций.
22
Нанотехнологии
О производительности:
1. Скорость одиночных реакций достаточно высока и
находится в пикосекундном диапазоне;
2. Объем наноэлектронных элементов в миллионы раз
меньше, чем объем элементов микроэлектроники.
3. Скорость перемещения зонда-манипулятора превышает
уже сейчас 1 мм в секунду.
4. Уже сейчас созданы многозондовые устройства, где
одновременная работа зондов повышает общую
производительность в число раз, соответствующее
количеству зондов.
23
Нанотехнологии
Группа исследователей под руководством Х.Даи
(Стенфордский университет) разработали методику
нанесения изображений нанометрового масштаба с
помощью углеродных нанотрубок. Ранее нанотрубки
использовались лишь в качестве иглы атомного силового
микроскопа, предназначенного для изучения
нанометровых структур. С помощью новой методики
изображения можно рисовать со скоростью 10 мм/с. К
нанотрубке прилагается электрическое напряжение,
которое удаляет атомы водорода из водородного слоя,
нанесенного на кремниевую подложку, затем поверхность
окисляют. В результате получается кремниевая подложка с
нанесенными на нее треками SiO2. Новая методика
открывает возможность хранения информации в
нанометровом масштабе.
24
Нанотехнологии
К транзисторам новых
типов относятся
одноэлектронные
транзисторы,
предложенные К.
Лихаревым, в которых
доминируют эффекты
поодиночного
прохождения электронов
через транзистор и
управления параметрами
данного процесса под
действием потенциала
управляющего электрода.
25
Нанотехнологии
В транзисторах АароноваБома используются
несимметричность
параметров волнового
распространения электрона
по двум расходящимся, а
потом сходящимся
проводникам. В области
схождения происходит
интерференция волновых
функций электрона,
приводящая к модуляции
выходного электронного
потока.
26
Нанотехнологии
Другой пример - это полевой транзистор, сформированный
на основе нанопроводников, в котором под воздействием
управляющего напряжения происходит полевая модуляция
проводимости проводника, по которому течет ток. Данный
транзистор наиболее технологичен и позволяет достичь
частотного диапазона в сотни гигагерц.
27
Нанотехнологии
Физик Хендрик
Шон и химики
Женан Бао и
Хон Менг
создали
транзисторы,
длина канала
которых
сопоставима с
размером
одной
молекулы.
28
Нанотехнологии
Исследователи
Bell Labs
использовали
метод
"самосборки".
Молекулы сами
притягиваются к
электродам из
золота.
29
Нанотехнологии
Кроме наноэлектроники, на основе нанотехнологии
наиболее активно развиваются: микро- и
наноробототехника, позволяющая создать миниатюрные
исполнительные механизмы с быстродействием в
миллионы раз выше существующих и более сложные
робототехнические системы с распределёнными
механическими устройствами: интегральная
нанооптоэлектроника, позволяющая создать солнечные
элементы с КПД в 2 раза большим существующих (в
соответствиии с одним разделов программы
Американской нанотехнологической Инициативы),
светодиоды и лазеры с перестраиваемым от
инфракрасного до ультрафиолетового спектром
излучения, высокоэффективные транспаранты и
функциональные оптические приборы.
30
Нанотехнологии
An atomic-scale memory chip, made by removing individual
atoms from a silicon wafer. The feat, reported in the journal
Nanotechnology, represents a first crude step toward a
practical atomic-scale memory where atoms of silicon would
represent the binary 1s and 0s that computers use to store
data.
31