Развитие литографии
Бесспорно, для дальнейшего развития электроники, т.е. увеличения производительности за счет уменьшения размеров чипов, ключевым моментом является совершенствование методов литографии.
Это значит, что толщина линий, наносимых светом на поверхности фоторезиста в момент формирования “рисунка” микросхемы, должна стремиться к уменьшению. Этого можно достичь уменьшением длины волны, ведь чем меньше длина волны,тем более мелкие детали рельефа она позволяет «нарисовать».
Первоначально засветка производилась инфракрасным излучением с длиной волны чуть более 1 микрона – и ширина дорожек была примерно такой же. Затем стандартными стали
длины волн 435 и 365 нм. При помощи источника излучения с длиной волны 365 нм вычерчи-вались линии толщиной до 0,35 микрон, что почти соответствует длине волны.
Затем благодаря переходу на источники, действующие в спектре глубокого УФ-излучения (DUV*литография“Deep UltraViolet”) с длиной волны 248 нм, полупроводниковая промыш-ленность перешла на 0,18_микронную литографию. Достижение топологических размеров в 100 нм и меньше потребует уменьшения длины волны излучения, возможно, за счет применения принципиально новых источников.
В настоящее время интенсивно развивается EUV*литография (Extreme Ultra Violet)-литография в спектре жесткого ультрафиолета, обеспечивающая толщину линий проводников
в 70 нм, что примерно в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса.
EUV_литография является обычной литографией, но с использованием излучения с длиной волны 11 _ 14 нм, отражательной оптикой и фотошаблонами. Оптическая система содержит набор зеркал между источником света и маской.
Рис 106. Схема оптической литографии
Чтобы дать читателю представление о преимуществах EUV_литографии, приведем несколько наглядных примеров:
· EUV_технология приводит к появлению микропроцессоров в 30 раз быстрее существующих. Процессор в 10 ГГц, например, будет настолько быстрым, что, например, за время, пока человек успевает моргнуть глазом (около 1/5 секунды), он сможет произвести порядка 2 млрд. вычислений.
· EUV_литография предназначена для печати на кремниевой подложке элементов размером 0,07 мкм (70 нм) и менее. Это все равно, что рисовать изображение размером с двухрублевую монету на поверхности Земли с космического корабля, а затем поверх него печатать другую картинку, четко совмещая их между собой. На одном кристалле соли (с ребром 0,25 мм) раз-местилось бы около 3600 таких 70_нанометровых элементов.
· Элементы, нанесенные с помощью EUV_ и DUV_литографии, примерно так же отличаются друг от друга, как две одинаковые линии, проведенные на бумаге шариковой ручкой (EUV) и маркером (DUV).Переход к EUV_ литографии позволил пересечь 100 нм рубеж, оставаясь в рамках традиционной фотолитографии. Однако сложная зеркальная оптика и технология изготовления фотошаблонов делает такой подход исключительно дорогим, оставляя место для разработки литографических процессов, основанных на иных физических принципах.
Проводящие полимеры
Долгое время основными материалами микроэлектроники считались кремний-основа чипов, и медь, используемая в токопроводящих дорожках и контактах. Пластмассовым в компьютере был разве что корпус монитора. Однако прогресс не стоит на месте, и в последнее время все большую популярность завоевывают проводящие полимеры, которым, по прогнозам материа-ловедов, в ближайшие годы предстоит стать чуть ли не основным сырьем для производства полупроводни-ковой техники. Но прежде чем говорить об электропроводимости таких веществ, давайте вспом-ним, что же такое полимеры вообще.
Полимеры это огромные молекулы-цепочки (макромолекулы), состоящие из большого числа многократно повторяющихся однотипных молекулзвеньев (мономеров).Греческая приставка "поли", означает "много".
Типичным полимером является уже знакомая нам молекула белка, состоящая из сотен мо-лекул аминокислот. В природе полимеры встречаются на каждом шагу. Они-важная часть любого микроорганизма, растения, животного. Например, целлюлоза, крахмал, каучук, природные смолы-примеры полимеров растительного мира. В человеческом организме также
немало полимеров: мышцы, кожа, волосы и др.До недавнего времени полимеры создавала только природа.
Но в 20_х годах прошлого столетия человек узнал ее секрет и научился синтезировать их самостоятельно. Искусственные полимеры прочно вошли в наш быт под видом таких привычных
веществ, как полиэтилен, капрон, нейлон и другие виды пластмасс. Сегодня благодаря своим ценным свойствам пластмассы повсеместно заменяют древесину, металл, стекло. Пластмассы
не боятся влаги и едких кислот, не подвержены ржавчине и гнили и к тому же изготавливаются из дешевого углеводородного сырья.
Меняя длину и способы переплетения цепочек-полимеров,можно управлять прочностью и эластичностью пластмасс. Стоит к цепочке добавить еще хотя бы одно звено или ввести не-большое количество примесей-и у полимера появляются новые свойства. Одни пластмассы по прочности сравнимы с самой лучшей сталью, другие эластичнее резины, третьи прозрачны, как хрусталь, но не разбиваются. Одни пластмассы мгновенно разрушаются под действием тепла, другие способны выдерживать очень высокую температуру. Зная все это, ученые насегодняшний день создали сотни тысяч различных синтетических полимеров.
Строение и состав полимеров
Однотипные атомы или группы атомов в макромолекуле могут иметь линейную, разветвлен-ную или пространственную структуру. К линейным полимерам относится, например, натураль-ный каучук. Кразветвленным-амилопектин, к сложным пространственным нанотрубки.
Рис 107. Различные типы структуры полимеров:
а – линейная, б – разветвленная, в– пространственная
Образование полимеров
Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в клетках живых организмов. Они могут быть выделены из растительного и животного сырья. В основе получения синтетических полимеров лежат химические процессы полимеризации и поликонденсации. Реакцией полимери-зации называется получение новой макромолекулы с большим молекулярным весом из атомов или простых молекул-мономеров, причем это новоесоединение имеет одинаковый с мономе-рами состав. На рисунке приведена условная схема реакций полимеризации (а) и поликонден-сации (б).
а б
Рис 108. Реакции образования полимеров: а)_ полимеризация, б)_ поликонденсация
Электропроводимость полимеров
Отличительным свойством синтетических полимеров до недавнего времени считалось их нулевая электропроводность. Все привычные типы пластмасс являются хорошими диэлектри-ками благодаря прочным ковалентным связям, образующим макромолекулярные соединения.
Однако эпохальное достижение трех нобелевских лауреатов 2000 года-Алана МакДайармида (США), Алана Хигеру (США) и Хидеки Ширакаве (Японии)-круто изменило общепринятую точку зрения. Этим ученым впервые удалось превратить пластмассу в электрический проводник.
Как это часто бывает в истории науки, открытию помогла случайность. Студент Ширакавы как-то по ошибке добавил слишком много катализатора, в результате чего бесцветный пластик вдруг стал отражать свет подобно серебру, и это навело на мысль о том, что он перестал быть изолятором. Дальнейшие исследования привели к открытию полимера с проводимостью,в десят-ки миллионов раз превосходящей обычный пластик. Это открывает путь к новой электронике ХХI века, основанной на органических материалах. Ведь органические материалы легчеи гибче традиционного кремния, им проще придать нужную форму, в том числе и трехмерную.
Что же представляют собой проводящие полимеры? Если коротко, то основой для них служат вещества с молекулами, в которых имеются чередующиеся двойные углеродные связи. В чистом виде они не являются проводниками, поскольку электроны в них локализованы в силу их участия в образовании ковалентных химических связей. Для освобождения электронов применяются различные примеси, после их ввода появляетсявозможность перемещения зарядов (электронов и дырок) вдоль молекулярной цепи. Распространенным примером проводящего полимера является полианилин. На проводящих полимерах основана молекулярная электроника. Например, ученые из Аризонского университета создали ограничитель напряжения из семи анилиновых фрагментов. Разрабатываются молекулярные транзисторы, конденсаторы, диоды.
Американская компания Superconnect разработала материал, который в будущем поможет ускорить передачу данных в Интернете в сто раз! Это особый полимер, склеенный с набором фуллеренов, позволяющий управлять потоками света при помощи других потоков (т.е. чисто фотонный транзистор).
Рис 109. Сочетание фуллеренов и
Полимерных цепей _ ключ к
Сверхбыстрым оптическим
Переключателям
Это — первый шаг на пути создания полностью оптических маршрутизаторов в Интернете. Сейчас для управления потоками данных (которые между крупными узлами передаются по оптоволокну),их преобразовывают из оптических импульсов в электронные. Чипы определяют направление передачи и переключают канал, после чего поток битов в виде электронов снова переводят в световые импульсы и отправляют к месту назначения. Такие двойные преобразо-вания-одно из узких мест, снижающих общую пропускную способность Интернета. Заменив обычные маршрутизаторы, сочетающие оптические и электронные компоненты,на полностью оптические, можно будет повысить скорость передачи данных в сто раз.
Дешевизна производства полимеров открывает перед органической электроникой новые области применения. Например, такие полимеры позволят печатать любую ИС на простых компьютерных принтерах, используя особый химический раствор вместо чернил. Это-колос-сальное технологическое и экономическое преимущество, ведь принтер прост в обращении и
стоит копейки по сравнению с традиционным дорогостоящим оборудованием для изготовления интегральных микросхем.
На принтерах, например, в ближайшее время сотрудники британской компании Cambrige Display Technologies собираются наладить выпуск видеодисплеев для мобильных телефонов и
других переносных устройств. Исходным материалом для таких дисплеев будут новые светоизлучающие полимеры, где излучение происходит в результате рекомбинации электронов и дырок. Также в скором времени следует ожидать массового производства новых пластиковых мониторов на основе полимерных матриц. На фотоизображен один из лабораторных образцов таких дисплеев компании Universal Display.
Рис 110. Демонстрация гибкого
Монитора на основе проводящего
Полимера*
Более того – если можно печатать и проводники, и полимеры, то почему бы не напечатать на принтере сам принтер? Именно это и стремятся сделать добровольцы проекта RepRap-самореплицирующийся принтер, который сможет печатать все детали для своих копий из проводящих, полупроводящих и непроводящих полимерных чернил. Конечно же, он сможет не
только размножаться-на таком принтере можно будет запросто «распечатать» цифровую фотокамеру или мобильный телефон!
Полупроводниковые интегральные микросхемы
Наибольшее распространение получили ИС, у которых все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Их называют полупроводниковыми.
Для изготовления полупроводниковых микросхем используют кремниевые монокристаллические пластины диаметром не менее 30 — 60 мм и толщиной 0,25 — 0,4 мм. Элементы микросхемы — биполярные и полевые транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы — формируют в полупроводниковой пластине методами, известными из технологии дискретных полупроводниковых приборов (селективная диффузия, эпитаксия и др.)