6. Переход от микро – к нанотехнологиям

Переход от вакуумной электроники к твердотельной технологии привели к тому, что потоки электронов заключенные в полупроводниковый кристалл, дали начало новой ветви эволюции элементной базы. Подвижность электронов в сочетании с малым внутрикристаллическими размерами обеспечивает скорость, а строгий порядок атомов, т.е. структура твердого тела, - организацию информационных потоков в микропространстве. Однако для этого необходимо сформировать кристалл с почти идеальным расположением атомов в решетке (так называемую матрицу – аналог вакуума в электронных лампах) и с заданным распределением примесей, образующих внутри кристалла сложную пространственную фигуру (физический, но не конструкционный аналог сеток в электронных лампах).

Необходимо также создать на поверхности коммутационную разводку с малыми размерами (аналог выводов в электронных лампах). Кроме того, невысокая подвижность электронов, по сравнению со скоростью распространения электромагнитного поля, не позволяет реализовывать желаемое предельное быстродействие. Использование элементарных частиц (электронов) для переноса и передачи электрического сигнала, а следовательно, и информации, заранее обрекает разрабатываемые устройства на низкое быстродействие. Единственный выход – использование в целях переноса сигнала и информации электромагнитных волн. Реализовать подобное быстродействие и создать устройство, получившее название «оптический компьютер», является одной из целей оптоэлектроники.

Элементную базу микроэлектроники для достижения практически любой поставленной цели можно реализовывать на основе самых разнообразных физических явлений и использовать самые разные материалы: полупроводниковые, сверхпроводящие, магнитные или оптические. Реализовывать процессы обработки и передачи информации можно с помощью различных физических явлений и эффектов. При этом должен сохраняться единственный принцип – обработка информационных сигналов в микроскопически малых областях твердого тела, в которых средствами современной технологии создано определенное распределение электронных свойств.

Что же происходит при технологическом освоении нанометрового диапазона размеров элементов электроники? Соизмеримость размеров нанофазного материала с характерным размером для того или иного физического объекта или явления (дрейфовая длина, размер домена и т.д.) вызывает разнообразные размерные эффекты, а увеличенная поверхностная энергия наночастиц приводит к метастабильному состоянию материалов, находящихся в ультрадисперсном состоянии. Например, для поверхностных структур с нанометрическими размерами напряженности локальных электрических полей приближаются к внутриатомным полям (Е=10⁸…10⁹ В/см); при этом начинают проявляться эффекты изменения электронно-зонной структуры. Могут изменяться межатомные расстояния и происходить перестройка кристаллической структуры вплоть до перехода кристаллической структуры в аморфное состояние.

Успехи в развитии микроэлектроники впечатляют. Если размеры элементов первых микросхем составляли десятки микрон, то к 2010 г. достигнуты технологические стандарты размера элемента менее 0,1 мкм.

Фундамент современной микроэлектроники составляет планарная технология. Несущей конструкцией всей микросхемы является подложка. На эту подложку в различных комбинациях и в требуемом количестве наносят полупроводниковые, проводящие и изолирующие слои, в которых создаются требуемые конфигурации и топологические рисунки. Толщина этих слоев колеблется в зависимости от технологических требований от 0,05 до 1…2 мкм.

Создание высокоточного прецизионного топологического рисунка в тонких, субмикронных (по толщине) слоях сейчас является наиболее сложной задачей микро- и нанотехнологии. Микротехнология имеет дело с элементами микросхем, размер которых превышает 1 мкм; субмикронная технология – 0,1…1,0 мкм; нанотехнология - менее 0,1 мкм.

Если бы темпы микроминиатюризации сохранились до 2010 г., то транзистор уменьшился бы до размеров вируса, его рабочая частота сравнялась бы с частотой колебаний атомов в решетке кристалла, число транзисторов в одной ИМС достигло бы триллиона, а рекордные размеры литографического рисунка достигли бы величины в 10 раз меньше размеров атома.

Согласно закону Мура /1/, число транзисторов в ИМС данного типа удваивается каждые два года, к 2010 г. микроэлектронные устройства должны иметь размеры порядка 10 нм, а к 2035 г. – порядка атома. Согласно другой формулировке увеличение скорости обработки данных в 2 раза происходит каждые два года. Гордон Мур также предсказал, что к 2006 г. фирма Intel будет производить чипсы с 1 млрд транзисторов.

В реальной жизни такие показатели пока не достигнуты, но поскольку рубеж 0,1 мкм в промышленности практически преодолен, это дает определенное право говорить о совершившимся переходе от микротехнологии к нанотехнологии, которая оперирует размерами порядка нанометра (1 нм = 10^-9 м = 10 А).

В «Концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года», одобренной Правительством РФ 18.11.2004 г., рекомендуются следующие термины /1,12/.

Нанотехнология – совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие в себя компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба; в более широком смысле – этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов.

Наноматериал – материал, содержащий структурные элементы, геометрические размеры которых, хотя бы в одном измерении, не превышают 100 нм, и благодаря этому обладающий качественно новыми свойствами, в том числе заданными функциональными и эксплуатационными характеристиками.

Наноструктуру можно определить как совокупность наночастиц с наличием функциональных связей. Такие системы, обладающие ограниченным объемом, в процессе их взаимодействия с другими химическими веществами можно рассматривать как своего рода нанореакторы.

Наносистемная техника – созданные полностью или частично на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.

Наноиндустрия – вид деятельности по созданию продукции на основе нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники.

В особой степени переход от микротехнологии к наноьехнологии касается электроники, приводя к новому витку развития на уровне наноэлектроники. Электроника является одной из самых динамично развивающихся междисциплинарных наук. Она использует самые последние достижения в области физики, химии, информатики. В отличии от традиционной микроэлектроники, потенциальные возможности которой в ближайшее десятилетие, по-видимому, будут исчерпаны, дальнейшее развитие электроники возможно только на базе принципиально новых физических и технологических идей. До настоящего времени рост функциональной сложности и быстродействия систем достигался увеличением плотности размещения размеров элементов, принцип действия которых не зависел от их масштаба. При переходе к размерам элементов порядка десятков или единиц нанометров возникает качественно новая ситуация, связанная с определяющим влиянием на физические процессы в наноструктурах квантовых эффектов (туннелирование, размерное квантование, интерференционные эффекты).

Создание наноструктур базируется на новейших технологических достижениях в области конструирования на атомном уровне твердотельных поверхностных и многослойных структур с заданным электронным спектром и необходимыми электрическими, оптическими, магнитными и другими свойствами. Требуемая зонная структура таких материалов обеспечивается выбором веществ, из которых изготавливаются отдельные слои структуры (зонная инженерия), поперечных размеров слоев (размерное квантование), изменения степени связи между слоями (инженерия волновых функций). Наряду с квантоворазмерными планарными структурами (двухмерный электронный газ в квантовых ямах, сверхрешетки) исследуются одно- и нульмерные квантовые объекты (квантовые нити и точки), интерес к которым связан с надеждами на открытие новых физических явлений и, как следствие, на получение новых возможностей эффективного управления электромагнитными и световыми потоками в таких структурах.