Парад нанотехнологий, часть III.

Наноэлектроника и оборудование.

Продолжаем серию статей с кратким обзором технологий, номинированных на получение международной премии в области нанотехнологий RUSNANOPRIZE 2013. В этой части рассмотрим технологии по двум направлениям:

- микро- и наноэлектроника

- научное и технологическое оборудование для формирования и изучения наноструктур

Полупроводники: традиционные подходы, новые достижения.

Одно из быстроразвивающихся направлений в полупроводниковой промышленности – это технологии для светодиодного освещения. Коллектив российских ученых предложил решение серьезной проблемы на пути повышения эффективности светодиодов, а именно, проблемы выхода фотонов из активной области светогенерации. Была теоретически обоснована, экспериментально подтверждена и реализована в промышленном варианте технология создания наноразмерных рельефных структур на сапфировой подложке для светодиодов на основе множественных квантовых ям InAlGaN/GaN. Кроме этого, структура самой активной области была оптимизирована. В результате удалось существенно снизить вклад безызлучательных процессов и уменьшить потери за счет внутреннего отражения фотонов в активной области. Суммарно технология позволила повысить внешний квантовый выход готовых светодиодов до 60%.

Профессор Раскин из Бельгии (Université catholique de Louvain ) представил другое мейнстримное направление в микроэлектронике, а именно, усовершенствование технологии КНИ (Кремний-На-Изоляторе). Саму технологию КНИ, когда в качестве подложки для формирования транзисторов используют не толстый слой кремния, а сэндвич, в котором слой оксида изолирует технологический слой кремния от остальной части подложки, считают перспективным направлением для миниатюризации микропроцессоров. Профессор Раскин предложил добавить в «сэдвич» еще один слой, насыщенный упорядоченными дефектами в поликристаллическом кремнии. Такое усовершенствование принципиальным образом улучшает характеристики создаваемых на подложке устройств. Во французской компании, которая серийно производит подложки на основе КИН-технологии, считают, что технология профессора Раскина в самое ближайшее время станет основной в производстве электронных «мозгов» для всех персональных гаджетов. Кроме этого у технологии также много узкоспециальных применений.

Интересные разработки предложены в таком направлении как нанолитография. Традиционно в микроэлектронике используют светочувствительный полимер, который наносят на поверхность и нужные области засвечивают через специальный трафарет. Эта технология имеет ограничения по пространственному разрешению – оно ограничено пределом диффракции света. В заявке коллектива авторов из Швеции предложен способ нанесения определенного рисунка на поверхность методом импринтинга, аналогично тому, как печать с краской прикладывают к бумаге и оставляют отпечаток на документах. Этот подход ученые пытались применить уже давно, но мешал целый ряд серьезных препятствий – с высоким разрешением можно было оставлять всего несколько отпечатком, поле печати было небольшим (порядка 30 микрон), из-за этого весь процесс становился слишком долгим. Предложенная технология позволяет преодолеть эти ограничения. Так подложка 6 дюймов может быть обработана всего за несколько минут.

Формирование наноструктур: стружки для шапки-невидимки.

Профессор Уайтсайдс (Harvard University, США) представил целый ряд подходов для формирования локальных элементов рельефа, самый оригинальный из которых он назвал «наноскайвинг» (от англ. skive – срезать тонкий слой, снимать стружку). Технология поражает воображение своей простотой и дешевизной, с одной стороны, и огромным потенциалом возможностей – с другой.

Суть подхода состоит в том, что некоторый регулярный рельеф создается на поверхности твердого полимера с субмикронным разрешением. Это сейчас просто сделать с помощью оптических и лазерных технологий. Потом на поверхность полимера с рельефом напыляется металлическая пленка толщиной около 30 нм. Сверху наносится слой эпоксидной смолы, а затем, с помощью ультрамикротома получается тонкий срез в произвольной плоскости. Толщина среза лимитируется возможностями ультрамикротома и в современных приборах может доходить до 30 нм.

Предположим, срез прошел в плоскости, перпендикулярной средней плоскости напыления пленки металла. В этом случае исследователь получает листок из полимерного материала (срез) с шириной и длиной до нескольких миллиметров, в котором есть «ниточка» - слой металлической пленки, повторяющей некий регулярный рельеф исходного полимера. Характерные размеры такой структуры – десятки нанометров в диаметре и до миллиметров в длину. Укладывая слои на определенной подложке, из таких «ниточек» можно пинцетом, под оптическим микроскопом формировать пространственные трехмерные структуры. После обработки в плазменной камере полимеры счищаются, а металлические структуры – остаются.

Таким образом, данный подход совмещает:

- топологический контроль до 30 нм по двум из трех измерений;

- возможность создавать из наноструктур макрообъекты (характерные размеры – мм);

- предельно простое оборудование и инфраструктура (нет необходимости в чистых комнатах, высоком вакууме и прочем).

Наиболее востребованной такая технология может оказаться у разработчиков метаматериалов (например, для придания объектам свойства невидимости в оптическом диапазоне). Именно там важно иметь возможность одновременно контролировать характеристики материала и на уровне нанометров и на макроуровне. Однако вопросы промышленной технологичности, очевидно, еще предстоит прорабатывать.

Оборудование для наноэлектроники и не только.

Две широко известные технологии, применяемые в полупроводниковой промышленности, номинированы на Премию RUSNANOPRIZE 2013 в виде разработок научного и малосерийного промышленного оборудования. Это так называемые технологии ALD(atomic layer deposition – атомно-слоевое осаждение, заявка подана финской компанией) и MOCVD (газофазное осаждение металлоорганических соединений, заявка подана немецкой компанией). Обе технологии обеспечивают наращивание тонких слоев определенного состава на поверхности кремниевой подложки.

В случае ALD рост новой структуры происходит за счет пристраивания молекул или атомов по краю уже существующей пленки. Поэтому пленка получается очень тонкой, вплоть до одного слоя атомов, и очень равномерной и по толщине и по составу.

В случае MOCVD металлоорганическое соединение в газообразном виде поступает в реакционную камеру, оседает на поверхность подложки, а затем атомы металла высвобождаются с помощью химических реагентов либо термического разложения органики. Эта технология дает широкие возможности для выбора материалов и является одной из базовых в современной микроэлектронике.

Наконец, весьма перспективное направление для исследования наноструктур разрабатывается на уровне оборудования российской компанией. Так называемая сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) основана на двух технологических решениях.

Во-первых, очень острую иглу (радиус закругления на острие до 1 нм) можно подвести очень близко к поверхности и регистрировать силы, между острием и областью поверхности размером несколько нанометров. Силы могут быть самые разные, в зависимости от материала и свойств иглы, а также свойств самой поверхности. В самом простом случае игла притягивается или отталкивается за счет ван-дер-ваальсовых сил, но могут быть и магнитные, электрические, адгезионные и другие взаимодействия.

Во-вторых, специальная сканирующая система позволяет двигать иглу по поверхности с ангстремной точностью. Т.е. игла ощупывает поверхность, перемещаясь от точки к точке, и исследователь получает карту распределения интересующих его свойств по выбранному участку поверхности образца. Например, это может быть просто рельеф – размеры наноструктур.

Возможность измерять электрические и магнитные характеристики с нанометровым разрешением делает СЗМ весьма востребованным подходом в разработке новых полупроводниковых материалов и наноэлектронных устройств.