9.7. Нанотехнологическая установка

Иллюстрацией практических приложений квантовой теории вещества являются достижения в области нанотехники – совокупности технических средств, способных целенаправленно производить атомно-молекулярную сборку вещества. Сборка атомов основана на различных принципах, в том числе туннельном эффекте, имеющем квантовомеханическую природу и заключающемся в прохождении частицы через потенциальный барьер конечной ширины.

Туннелирование электронов через вакуумный барьер легло в основу нового быстро развивающегося направления – нанотехнологии. Начиная с 1985 года началась история бурного развития исследований, создания лабораторного и промышленного приборостроения и нанометровых структур, основанных на использовании туннельной микроскопии [10].

На рис. 9.15, априведена схема нанотехнологической установки.

В качестве подложки 1могут быть использованы любые проводящие материалы с тщательно отполированной поверхностью. Зонд2представляет собой металлическую иглу, как правило, из твердосплавного материала, с заточенной методами ионного травления вершиной. С микроскопической точки зрения радиус кривизны вершины зонда определяется размерами единичного атома, находящегося на вершине зонда.

Если к зонду по отношению к подложке приложить некоторое напряжение, то при уменьшении величины зазора, х, до размеров порядка долей нанометра, через зазор начинает протекать туннельный ток

, (9.23)

где I₀~10^-4А – постоянный коэффициент;W– энергия электрона;U_п– высота потенциального барьера;U_п –W– работа выхода электрона, эВ.

График зависимости величины туннельного тока I, нА, от величины зазорах, Å, построенный в полулогарифмических координатах представлен на рис. 9.15,б. Важно отметить, что величина зазора значительно меньше величин межатомных и межмолекулярных расстояний в окружающем зазор газе (2…8 нм). Поэтому можно считать, что туннельный ток в зазоре практически протекает в вакууме. При этом напряженность электрического поля в зазоре, даже при слабых управляющих напряжениях порядка милливольт (0,05…0,1 В), достигает весьма значительных величин порядка 10⁸В/м и выше.

Как видно из рис. 9.15, б, ток в зазоре при стабилизированном управляющем напряжении экспоненциально зависит от величины зазора. При изменении величины зазора на 0,1 нм (1 нм=10 Å) величина тка изменяется в 10 раз. Измеряя туннельный ток, можно с помощью прецизионного пьезодвигателя-манипулятора регулировать или стабилизировать величину зазора с точностью не ниже 0,01 нм. При указанных величинах электрических полей диаметр пучка туннельных электронов, протекающих в вакууме между зазором и подложкой, составляет порядка 0,1…0,15 нм (сечение пучка около 0,8·10^-20м²). При величине туннельного тока порядка 8 нА=8·10^-9А плотность тока в зазоре достигает очень большой величины – 10¹²А/м² =10⁶А/мм², что сравнимо с плотностью тока в дуге электросварки.

В нанотехнологической установке предусмотрена возможность откачки и напуска в активный объем необходимых жидких или газообразных реактивов, поэтому вся конструкция технологической камеры изготовлена из коррозионно-стойких материалов. Это обстоятельство существенно отличает нанотехнологическую установку от туннельного микроскопа. Причем, во избежание влияния внешних сейсмических и акустических воздействий, вся установка снабжена системой виброзащиты.

С помощью линейных пьезоманипуляторов подложка может перемещаться относительно острия зонда в пределах 10×10 мм²с точностью не менее 0,01 нм.

На рис. 9.16, апоказана типичная вольтамперная характеристика (ВАХ), снятая для некоторого образца при постоянной величине зазора,х.

При энергии электронов W, меньших энергии тепловых колебаний атомов (W_т≈0,025 эВ), можно исследовать атомарную структуру поверхности подложки не разрушая ее.

При энергиях W, равных, или несколько больших энергии межатомных связей атомов (W_а≈1 эВ) поверхности подложки, на ВАХ появляются различные нелинейности, позволяющие снять туннельную спектрограмму подложки и определить ее химический состав.

На рис. 9.16, б–гпоказаны основные технологические операции, осуществляемые с помощью нанотехнологической установки.

Фиксация и перемещение атомов на поверхности подложки. Приэнергии пучка, большей энергии межатомных связей, можно (рис. 9.16, б):

"возбудить" отдельный атом, находящийся на поверхности;

"оторвать" его от поверхности;

"перенести", перемещая подложку в некоторое новое положение;

снижая энергию возбуждения, можно "пришить" этот перемещенный атом к поверхности в новом положении.

Осаждение атомов из окружающего зонд газа.Если в активную область установки ввести молекулы технологического газа, например углеводородаC₆H₆(рис. 9.16,в), то под действием сильного электрического поля эти молекулы ионизируются и далее на поверхность подложки можно осадить атом углерода. Можно выбирать и другие атомы таким образом, чтобы они образовывали с атомами подложки прочное химическое соединение.

Травление подложки.Напуская в технологический объем газы-"травители" (рис. 9.16,г), можно обеспечить активацию химических реакций "захвата" и удаления с поверхности некоторых атомов, создавая "канавки" нанометровых размеров.

На рис. 9.16, д в качестве примера реализации некоторых нанотехнологических операций приведена туннельно-микроскопическая фотография полевого транзистора.

Если на управляющем электроде (затворе), расположенном на фотографии справа, отсутствует заряд, то по левому проводнику ток может проходить беспрепятственно – транзистор открыт. Если на затвор подать запирающее напряжение, то поле перекрывает канал, и транзистор оказывается запертым.

Важно отметить, что при поперечных размерах квантовых проводников порядка 2 нм в них за счет поперечного квантования электронов значительно уменьшается рассеяние энергии и, следовательно, резко повышается быстродействие. При размерах полевого транзистора, изображенного на рис. 9.16, д (40 нм), его быстродействие лежит в терагерцовом диапазоне.

Наращивая осажденные атомы и перемещая подложку, можно вырастить на ней прочно закрепленные дорожки проводников или отдельные группы атомов с поперечными размерами атомарной величины (порядка 2 нм). Такие группы атомов и проводники являются квантовыми точками и квантовыми проводниками (рис. 9.17, аиб, соответственно).

Одно из основных требований к технологии изготовления нанокомпонентов — высокая производительность их получения. Например, с помощью нанометровых роботов-манипуляторов, использующих технику туннельной сканирующей микроскопии, можно собирать нанотранзисторы буквально по одному атому, однако этот процесс очень медленный. Даже если укладывать атомы за одну операцию целыми кластерами, на сборку одного наночипа все равно потребуются десятки лет. Поэтому в настоящее время идут интенсивные поиски технологических процессов, которые бы позволили с помощью небольшого числа операций одновременно производить большое число нанотранзисторов. Современные нанотехнологические установки позволяют наращивать на подложке не только продольные квантовые проводники, но и последовательно формировать трехмерные элементы. Создание многозондовых машин позволит обеспечить сборку атомов со скоростью 1 дм³ вещества за час при низкой стоимости.