От микроэлектронной технологии к наноэлектронной

Основные положения лекции 2

Уже в рамках развития микроэлектроники были разработаны и промышленно освоены технологии формирования слоев разных материалов нанометровой толщины и даже мономолекулярных слоев. Технологии их нанесения принято разделять на физические ("парофазные") и химические ("газофазные").

Наиболее распространенным из физических методов является вакуумное напыление. Этим методом наносят пленки широкого ассортимента веществ – металлов и их сплавов, полупроводников, изоляторов (окислов, карбидов, нитридов, силицидов и т.п.). Источником атомов (молекул), которые прямолинейно летят к подложке и конденсируются на ней, чаще всего служит тигель (лодочка, спираль), куда закладывают порцию нужного вещества и нагревают до температуры испарения материала, либо мишень, один из участков которой нагревают мощным электронным, лазерным или, ионным пучком.

Химические ("газофазные") методы формирования тонких пленок основаны на химических реакциях, которые протекают в газовой фазе и приводят к образованию и конденсации на подложке молекул или атомов нужного вещества. Как и метод вакуумного напыления, данный метод позволяет контролировано наносить пленки одновременно на большую группу подложек, что важно для серийного промышленного производства.

Когда требуется выращивать монокристаллические тонкие пленки с высокой степенью кристаллографической упорядоченности, тогда их формируют на монокристаллических, высоко ориентированных подложках, которые по своей кристаллографической структуре подобны пленке, которую надо вырастить. Такой метод выращивания называют эпитаксией. Процесс, при котором на подложке выращивается монокристаллическая пленка из такого же материала, что и подложка, называют гомоэпитаксией, а когда выращивается пленка из другого материала, – гетероэпитаксией.

Существенным шагом в дальнейшем совершенствовании методов нанесения тонких и сверхтонких пленок стала технология молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Источником направленных атомных (молекулярных) пучков, из которых формируется выращиваемый кристаллический слой, служат здесь эффузионные ячейки. Скорость выращивания пленок можно плавно регулировать, изменяя температуру соответствующих эффузионных ячеек и температуру подложки. Открывание и закрывание электромеханических заслонок позволяет скачком менять состав наращиваемых слоев. Встроенные в вакуумную камеру датчики позволяют следить за составом и кристаллографическими характеристиками пленок в процессе нанесения. Недостатком метода МЛЭ является относительно невысокая производительность.

Для промышленных применений предпочтение отдают методу "горячей стенки", когда между источниками атомов (молекул) и подложками устанавливают "тепловые экраны", в результате чего на подложки попадают атомы (молекулы) многократно отраженные от горячих стенок. Последние играют роль распределенного поверхностного источника и позволяют регулировать скорость атомов (молекул) относительно подложки независимо от температуры источника. Можно создавать значительно более высокое давление паров, чем в установках МЛЭ, благодаря чему пленки наносятся значительно быстрее и сразу на целую группу подложек. Значительно уменьшается удельный расход материалов.

В нанотехнологиях все шире применяют разработанную еще в 30-х гг. ХХ века технологию нанесения мономолекулярных пленок Ленгмюра-Блоджетт. Она основана на использовании амфифильных молекул, один конец которых является гидрофильным, а другой – гидрофобным. На поверхности воды такие молекулы образуют самоорганизованные пленки, в которых молекулы размещены вертикально гидрофильным концом вниз, а гидрофобным – вверх. При погружении подложки в ванну с водой, покрытой такой пленкой, последняя переносится на подложку, образуя мономолекулярный слой. Пленка может быть нанесена и при вытягивании подложки из ванны сквозь такой слой. Процесс нанесения можно повторять многократно, получая хорошо упорядоченные монокристаллические молекулярные пленки калиброванной толщины на поверхности подложек даже из не монокристаллического материала. Меняя состав наносимых пленок, можно формировать сверхрешетки молекулярных кристаллов, даже довольно сложные, заведомо запрограммированные. Технология не нуждается в вакууме, высоких температурах и оказалась значительно дешевле других технологий нанесения тонких пленок. Жидкостью, на поверхности которой образуются мономолекулярные пленки, переносимые потом на подложку, может быть и не вода, а другие жидкости, даже ртуть.

В микроэлектронике основным процессом структурирования (создания массива структурных элементов заданных формы и размеров, размещенных в заданном порядке) была фотолитография. Однако из-за явления дифракции разрешающая способность фотолитографии не может превысить примерно половину длины волны света. Даже при использовании фиолетового света с длиной волны 400 нм разрешающая способность не превышает 200 нм. Один из путей повышения разрешающей способности был эволюционным – начали разрабатывать установки для экспонирования фоторезистов более коротковолновым излучением: ультрафиолетовым, синхротронным или рентгеновским.

Еще в 70-х гг. ХХ в. началось становление электронной литографии, когда для наноструктурирования слоев используют электронную оптику и электронные пучки. Разрешающая способность этого метода и практически доступные проектные нормы определяются длиной волны де Бройля ускоренных электронов, качеством электронно-оптической системы и точностью координатного стола. Достигнута разрешающая способность порядка 1-10 нм. Комплексы электронной литографии в промышленности используют в основном при изготовлении шаблонов для нанолитографии. Для переноса топологической структуры с шаблона на рабочие пластины используют групповые методы коротковолновой ультрафиолетовой фотолитографии, рентгенолитографии и прочие.

Важным достижением стало освоение технологии нанопечати. В одном из вариантов резистом является термопластичный материал, а шаблон представляет собой пресс-форму из твердого материала. После совмещения с подложкой, на которую нанесен слой термопластичного резиста, их вместе нагревают до температуры размягчения термопластика и крепко сжимают. Выступы шаблона погружаются в размягченный термопластик (ТР), формируя в нем требуемую структуру. Для предотвращения образования воздушных пузырьков нанопечать, как правило, выполняют в техническом вакууме. А чтобы предотвратить влияние температурного расширения материалов, материалы подложки и шаблона берут одинаковыми. Прижатые шаблон и подложку охлаждают, пока термопластичный резист не перейдет в твердое стеклообразное состояние. После этого шаблон и подложку разделяют. Затвердевший резист сохраняет приданную ему форму и может служить маской при дальнейшем наноструктурировании.

Развиваются также варианты нанопечати, похожие на печать красками. "Краска" должна иметь адгезию к подложке выше, чем к шаблону, и после нанесения на подложку играть роль резиста при вытравливании топологической структуры в рабочем слое. Применяют для нанопечати и ультратонкие порошки (с наночастицами размером ~ 1 нм и менее), а для их переноса с шаблона на подложку используют электростатические силы, специфические химические реакции, электролиз и т.п.

Широкие возможности наноструктурирования открыли также прецизионные зондовые головки, которые оказались пригодными и как инструменты нанотехнологии. С их помощью стали возможны как горизонтальное, так и "вертикальное" перемещение отдельных атомов, молекул или даже кластеров вдоль поверхности подложки и размещение их с точностью, которую обеспечивает атомно-силовой микроскоп. Используя холодную эмиссию электронов из острия зонда, можно с высокой разрешающей способностью экспонировать электронорезисты. А используя очень большую плотность электрического тока под острием зонда (~10¹⁴ А/м2), можно реализовать нанотехнологические операции высокоточной гравировки, перекристаллизации, химического преобразования. Оказалось, что нанотехнологические операции с помощью зондов можно успешно проводить также и в атмосфере технологического газа, поскольку даже при атмосферном давлении свободный пробег атомов (молекул) намного больше, чем расстояние между подложкой и острием зонда. Методы манипулирования атомами и молекулами с помощью зондов называют "атомной инженерией".

В нанотехнологиях все больше используют процессы самоорганизации молекул, в основе которых лежит то, что всякая система в процессе хаотического теплового движения приходит в состояние с минимумом потенциальной энергии, являющееся наиболее устойчивым. Молекулы, используемые для самоорганизации, должны иметь три основные функциональные группы: "головку", которая избирательно взаимодействует и прикрепляет молекулу к поверхности подложки в химически маркированных местах; "хвостик", обеспечивающий нужные свойства поверхности самоорганизованного слоя, и промежуточную функциональную группу, которая определяет наноархитектуру самоорганизованного слоя и характер координации молекул. Температура должна быть достаточной для тепловой миграции молекул по поверхности, в ходе которой и происходит самоорганизация. Подбором промежуточных функциональных групп и порядка подачи в зону роста соответствующих "строительных блоков" вскоре можно будет "программировать" самоорганизацию молекулярных слоев.

Все шире начинают использовать также самоорганизацию при гетероэпитаксиальном наращивании слоев из материала, имеющего иную постоянную решетки, чем подложка. Накопление внутренних механических напряжений приводит к тому, что после достижения некоторой критической толщины сама собой происходит перестройка. Формируется система самоорганизованных наноразмерных монокристаллических островков, расположенных периодически на приблизительно одинаковых расстояниях один от другого.

Таким образом, развитие, совершенствование традиционных технологий микроэлектроники, создание и освоение новых постепенно и закономерно привели к становлению во многих отношениях качественно новой наноэлектронной технологии.

Набор для практики

Вопросы для самоконтроля

• В чем заключается различие между физическими и химическими технологиями формирования пленок нанометровой толщины?
• Раскройте сущность метода вакуумного напыления пленок.
• В чем заключается сущность химических методов формирования тонких пленок?
• Что такое "эпитаксия"? "гетероэпитаксия"? "гомоэпитаксия"?
• Кратко расскажите о технологии молекулярно-лучевой эпитаксии.
• В чем заключается особенность формирования тонких пленок методом горячей стенки?
• Кратко расскажите о технологии нанесения мономолекулярных пленок Ленгмюра-Блоджетт.
• Что такое "структурирование" и "наноструктурирование"?
• Что такое ЭУФЛ и рентгенолитография?
• Кратко расскажите о технологии электронной литографии.
• Что такое "нанопечать" (наноимпринтинг)? Какие варианты нанопечати Вы знаете?
• В чем заключаются зондовые методы наноструктурирования? Какие из этих методов Вы знаете?
• Объясните принцип горизонтального перемещения атомов или молекул с помощью нанозонда.
• В чем заключаются нанотехнологические операции гравировки, перекристаллизации, химического преобразования?
• Что такое "атомная инженерия"?
• На чем основаны методы самоорганизации молекул?
• На чем основана самоорганизация атомов при гетероэпитакси-альном выращивании слоев?