Физические основы микро- и нанотехнологии

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

А.С. Иванов, Г.И. Пахомов

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРО- И НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2011

УДК 621.396 ББК 32.844 И 20

Рецензенты:

канд. техн. наук, проф. Э.С. Заневский (ПНИПУ); д-р техн. наук, проф. Ю.Н. Симонов (ПНИПУ); д-р физ.-мат. наук, проф. Л.В. Спивак (Пермский государственный национальный исследовательский университет)

Иванов, А.С.

И20 Физические основы микро- и нанотехнологии: учеб. пособие / А.С. Иванов, Г.И. Пахомов. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2011. – 311 с.

ISBN 978-5-398-00638-4

Изложены основные положения квантовой механики, вопросы строения и структуры традиционных конструкционных материалов. Рассмотрены физические основы базовых технологических операций в микро- и наноэлектронике: получение тонкопленочных структур, создание и перенос литографического изображения, цифровая обработка изображений, методы модификации поверхностных и объемных структур, основыиметоды измеренийвмикро- и нанотехнике.

Предназначено для студентов высших учебных заведений. Может быть полезно специалистам по радиоэлектронике.

Издано в рамках программы опережающей профессиональной подготовки (уровень – магистратура), ориентированной на инвестиционные проекты в области производства погружных электронасосов для нефтедобычи и их узлов с наноструктурными покрытиями Фонда инфраструктурных и образовательных программ «Роснано».

УДК 621.396 ББК 32.844

2

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы во всем мире интенсивно развиваются новые научные направления, среди которых особо следует отметить нанотехнологии. Нанотехнологии начинают использоваться в машиностроении, энергетике, электронике, компьютерной и военно-косми- ческой технике, биотехнологии, медицине, сельском хозяйстве и охране окружающей среды. Наноматериалы, которые применяются в этих отраслях науки и техники, обладают уникальными свойствами: высокой прочностью и пластичностью.

Успехи современного материаловедения и метрологии, особенно после изобретения сканирующего туннельного микроскопа и с развитием методов туннельно-зондового массопереноса, продвинули исследования в области микротехнологии в нанометровый диапазон.

В особой степени переход к нанотехнологии коснется электроники, приведя 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 и семантики.

Курс физических и технологических основ современной микро- и нанотехники включает физические основы микро- и нанотехнологии с точки зрения квантовой механики, в том числе основных представлений фрактальной физики. Это теоретическая база для дальнейшего понимания материала. Затем рассматривается элементная база современной полупроводниковой техники. На следующем этапе изучаются технологические процессы, лежащие в основе микро-

инанотехнологии, и соответствующая метрологическая база.

Впяти главах данного учебного пособия рассмотрены основные положения квантовой механики, теория твердого тела, зонная теория твердого тела, фрактальный подход в микро- и нанотехнологии. Рассмотрено строение и структура традиционных материалов, применяемых в электронной технике (кристаллы, композиционные и поликристаллические материалы, керамики, сегнетоэлектрики), дано представление о наноструктурных материалах, углеродных на-

3

ноструктурах. Изложены физические основы полупроводниковой микроэлектроники, описаны базовые технологические операции при производстве интегральных схем, методы измерений в микро- и нанотехнологии.

Учебное пособие ориентировано в первую очередь на студентов специальности 150100 «Материаловедение и технологии материалов», магистерская программа «Наноструктурные материалы и покрытия в нефтедобывающем машиностроении».

Авторы надеются, что данное учебное пособие окажет существенную помощь студентам при изучении новых направлений в материаловедении – наноструктурированных и нанофазных материалов.

4

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРО- И НАНОТЕХНИКИ

1.1. Переход от микро- к нанотехнике

Возможность прямого исследования нанометрических объектов позволила открыть новый обширный уровень организации материи – наномир, находящийся между макроуровнем, плавно переходящим в микроуровень, и атомарным уровнем, подчиненным законам квантовой механики. Именно в наномире могут быть искусственно созданы неизвестные ранее продукты и технологии, способные радикально изменить жизнь всего человеческого сообщества.

Прогресс в развитии науки и технологии, материальной и инструментальной базы, метрологического обеспечения ведет к освоению нанометрового диапазона размеров элементов и устройств и переходу к нанотехнике и нанотехнологии. Нанотехнологию можно определить как совокупность процессов, позволяющих создавать материалы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется наноструктурой, т.е. упорядоченными фрагментами структуры размером от 1 до 100 нм.

Первостепенное значение в настоящее время имеют фундаментальные исследования, направленные на создание принципиально новых технологических процессов и продуктов. Возможно, нанотехнологии смогут заменить некоторую часть морально устаревших и неэффективных технологий, но все же их главное место – в новых областях, в которых традиционными методами в принципе невозможно достигнуть требуемых результатов.

В работах отечественных и зарубежных ученых было показано, что простой переход от процессов на макроскопическом уровне к обратимым процессам на микроскопическом уровне невозможен, и был определен круг проблем, связанных с решением этой задачи.

Последние достижения в области нанотехнологий стали возможными в связи с появлением в руках исследователей набора аналитических методов расшифровки тонкой структуры наночастиц, локального химического анализа и компьютерных программ, обеспечи-

5

вающих пространственную трансляцию изображения наблюдаемых процессов. Методы микроскопии высокого разрешения и методы изучения фемтосекундных физических и химических процессов позволили экспериментально изучать наносостояние, определить многие свойства, необходимые для следующего шага – перехода от микро- к нанотехнологиям. Вместе с уменьшением размеров падает

ихарактерное время протекания разнообразных процессов в системе, т.е. возрастает ее потенциальное быстродействие, что очень важно для электроники и вычислительной техники. Уже сейчас достигнутое быстродействие – время, затрачиваемое на одну элементарную опе-

рацию в серийно производимых компьютерах, – составляет около 1 нс (10–9 с), но может быть еще уменьшено на несколько порядков (до фемтосекунд в ряде наноструктур).

Восновании новой технологии лежит знание свойств каждого атома вещества Периодической системы элементов Д.И. Менделеева

иналичие сил притяжения между ними при расстояниях менее 1 нм. В результате действия этих сил могут образовываться атомные конфигурации с прочными или слабыми связями. Чем меньше частица

иниже температура, тем сильнее проявляются ее квантовые свойства. Однако сильные изменения свойств наночастиц, по сравнению с макрочастицами того же вещества, наступают, как правило, задолго до проявления квантовых пределов (обычно при размерах менее 100 нм). Для разных свойств (химических, физических и др.) этот критический размер может быть различным даже для одного и того же вещества, как и характер их изменений.

При малых размерах наночастиц и низких температурах возникают специфические квантовые размерные эффекты, которые могут быть использованы в электронике, оптике, вычислительной технике.

Объекты наномира по размерной шкале расположены между миром элементарных частиц, атомов и молекул с одной стороны и макромиром – с другой стороны, являясь промежуточным и связующим звеном между миром, в котором действуют законы квантовой механики, и миром, в котором действуют законы классической физики.

6

Мир классической физики – это мир макровеличин. Он имеет дело с законами, опирающимися на усредненные, интегральные характеристики исследуемых объектов, процессов и явлений. Эти объекты состоят из колоссального количества образующих их атомов и молекул и представляют собой как внутренне однородные, так и внутренне неоднородные структуры. Все законы классической физики, установленные для этого мира, опираются на неопровержимые экспериментальные данные и абсолютно справедливы для тех условий, которые они описывают.

Точно так же справедливы и адекватны наномиру законы квантовой механики, описывающие мир атомов, молекул и элементарных частиц. В этом мире все объекты одного типа (например, атомы одного элемента, электроны, позитроны или мюоны) абсолютно одинаковы и статистически абсолютно неразличимы, что позволяет в полной мере использовать для его описания принципы, положения и законы квантовой механики, статистической физики и аппарат физики твердого тела.

Иная ситуация складывается в наномире. Объекты наномира уже нельзя рассматривать как абсолютно одинаковые и статистически неразличимые. Все они индивидуальны, каждая наночастица отличается от другой составом, строением и множеством других параметров. Многие процессы, характерные для наномира, происходят в условиях, далеких от равновесного состояния, а объекты наномира чаще всего представляют собой открытые системы, обменивающиеся с внешней средой веществом, энергией и информацией. Вследствие этого для описания процессов и физических явлений, протекающих

в наномире, приходится использовать аппарат нелинейной динамики,

адля исследования объектов наномира – понятия и методы фрактальной физики.

Так, в электронике переход от вакуумной 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 малыми внутрикристаллическими размерами обеспечивают скорость, а строгий порядок атомов, т.е. структура твердого тела, – организацию инфор-

7

мационных потоков в микропространстве. Однако 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, 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», – одна из целей оптоэлектроники. Элементную базу микроэлектроники можно реализовать на основе самых разнообразных физических явлений и использовать самые разные материалы: полупроводниковые, сверхпроводящие, магнитные или оптические.

При технологическом освоении нанометрового диапазона размеров элементов электроники разработчик сталкивается с разнообразными размерными эффектами. Увеличенная поверхностная энергия наночастиц приводит к метастабильному состоянию материалов, находящихся в ультрадисперсном состоянии. Могут изменяться межатомные расстояния и происходить перестройка кристаллической структуры вплоть до перехода кристаллической структуры в аморфное состояние.

В зависимости от того, в каком измерении искомый объект содержит нанометровый размер, нанотехнологию можно подразделять на одномерную (тонкие пленки, в которых нанометровый размер имеет только толщина), двухмерную (структуры, полученные на тонких пленках и имеющие хотя бы один нанометровый размер в латеральной плоскости) и трехмерную (объекты, все три измерения которых имеют нанометровую структуру – нанодисперсные частицы и объекты, сюда же можно отнести пористые материалы, полученные методами золь-гель- технологии, или пористые стекла и кварцоиды). В системах, которые можно отнести к наноразмерным, количество вещества, сосредоточенное на поверхности и в объеме, становится соизмеримым, что совершенно меняет структуру и свойства твердого тела.

8

Наноструктуру можно определить как совокупность наночастиц

сналичием функциональных связей. Нанокомпозиты представляют собой объекты, в которых наночастицы разного рода упакованы вместе в макроскопический образец, в котором межчастичные взаимодействия становятся сильными и нивелируют свойства изолированных частиц. Для каждого вида взаимодействий нужно знать, как изменяются свойства материала в зависимости от его размеров. В наноструктурах трудно провести границы между гомогенной и гетерогенной фазами, между аморфным и кристаллическим состоянием вещества.

Наночастицы – это системы, обладающие избыточной энергией и высокой химической активностью. Частицы размером порядка 1 нм практически без дополнительной энергии вступают в процессы агрегации, ведущие к образованию наночастиц больших размеров, и в реакции с другими химическими соединениями, в результате которых получаются вещества с новыми свойствами. Запасенная энергия таких объектов определяется, в первую очередь, нескомпенсированностью связей поверхностных и приповерхностных атомов. Большинство методов синтеза наночастиц приводит к их получению в неравновесном метастабильном состоянии.

Размерные эффекты наиболее сильно проявляются в малых частицах и особенно характерны для нанохимии, где преобладают нерегулярные зависимости свойств от размера. Изучать качественное изменение свойств частицы необходимо в зависимости от ее размера

сучетом того, что свойства изолированных наночастиц обладают значительным статистическим разбросом, который изменяется во времени и нуждается в специальном исследовании.

Физико-химические свойства и реакции небольших частиц в газовой фазе, а в последнее время – и в твердой, и в жидкой фазах, начинают описывать количеством атомов или молекул, а не размером в нанометрах. Определенное значение может иметь и шкала атомномолекулярных диаметров, в которой наибольший интерес представ-

ляют частицы размером 1–100 атомно-молекулярных диаметров. В области подобных размеров наиболее часто наблюдаются различные эффекты, в которых свойства зависят от числа атомов в частице.

9

Особенность тонких наноразмерных пленок заключается в том, что у них объем, занимаемый поверхностными атомными или молекулярными слоями, сопоставим с объемом самой пленки, а чаще всего существенно превышает его. Пленку нанометровых размеров (естественно, по толщине) можно рассматривать как особую двухмерную систему, свойства которой определяются исключительно свойствами поверхностного слоя, так как слоев, соответствующих объемному образцу, практически не существует. Связи между атомами, составляющими кристаллическую решетку, внутри объема скомпенсированы, а на поверхности нет, что создает совершенно уникальную структуру.

Точно такая же ситуация складывается с частицами нанометрового размера. При диаметре частицы порядка 100–150 нм практически вся она представляет собой поверхность и свойства ее совершенно уникальны. Складывается совершенно парадоксальная ситуация – свойства частицы являются функцией ее размера. При диспергировании (измельчении) резко возрастает активность вещества в твердом состоянии и скорость химического взаимодействия с окружающей средой. Скорость такого взаимодействия всегда пропорциональна площади поверхности. Чем тоньше структура вещества, тем быстрее оно растворяется, тем быстрее протекают твердотельные реакции, например при взрывах. Для высокодисперсных частиц характерна структурная, фазовая и концентрационная неоднородность, в них реализуется особый тип дальнего порядка, при котором межатомное расстояние закономерно изменяется при переходе от центра частицы к ее поверхности. Следствием этого является возбужденное состояние атомов решетки, что служит главной причиной повышенной фи- зико-химической активности высокодисперсных систем.

Если достижения микротехнологии привели к колоссальному скачку в области микропроцессорной техники и информационных технологий, существенно изменивших наш образ жизни, то от развития нанотехнологии можно ожидать гораздо большего.

10