978-5-7996-1186-6_2014

это точное (1:1) изображение составных элементов микросхемы на фотопленке или фотопластинке. Фотошаблон может быть негативным или позитивным. В последнее время наиболее распространены хромированные фотошаблоны, рисунок на которых обеспечивается за счет напыления тонкой пленки хрома (выдерживает 200–300 совмещений). Получение требуемой конфигурации может быть обеспечено различными методами.

1.Метод «свободных» масок. Основан на экранировании подложки с помощью обособленно изготовленного экрана из тонкой фольги (максимальное разрешение 12 мкм, минимальный размер воспроизводимой структуры – 60 мкм).

2.Контактная фотолитография. Основана на использовании фотошаблона, который плотно прижимают к покрытой слоем фоторезистаподложке,послечегоэкспонируют.Одновременнопредъявляются высокие требования к совмещению рисунка на подложке

ина фотошаблоне.

3.Проекционная фотолитография – изображение фотошаблона проецируется на пластинучерез специальный объектив (максимальное разрешение – 0,4 мкм, минимальный размер структуры 2–3 мкм).

Причиной разработки литографических процессов с использованием электронного, рентгеновского и ионного излучений служит необходимость увеличения разрешающей способности процесса вплоть до получения элементов с субмикронными размерами менее0,2мкм. Посколькуперечисленныевышевидыизлучения имеют меньшую, чем УФ-свет, длину волны, неточности при экспонировании ими чувствительных слоев за счет волновой природы излучения существенно меньше.

В э л е к т р о н о л и т о г р а ф и и для облучения фоторезиста используется электронный пучок в вакууме. Типичное разрешение элементов структуры 0,2 мкм, минимальная структура 1,0мкм. Внастоящеевремяэлектроннаялитографияосваиваетразмеры в интервале 0,04–0,08 мкм.

Хотя уровень разрешающей способности электронной литографии является впечатляющим, тем не менее она обладает одним

190

чрезвычайно серьезным недостатком – низкой производительностью. Наилучшее разрешение реализуется при избирательном сканировании электронным пучком материала резиста. Но процесс этот является очень медленным, а значит, и малопроизводительным. Использование для ускорения экспонирования так называемого «векторного способа», т. е. набора изображения экспонированием широким(чащевсего– квадратным) пучком электронов, приводит к большей производительности. Однако при этом возникают проблемы точного совмещения границ экспонированных участков.

Следующим этапом развития литографии является р е н т - г е н о в с к а я л и т о г р а ф и я. Рентгенолитография использует для облучения рентгеновское излучение ( 10–3 мкм). Она обладает большей по сравнению с электронной литографией производительностью, но источники для получения мощных пучков рентгеновских лучей слишком сложны. Кроме того, использование их порождает проблемы, связанные с обеспечением мер радиационной безопасности для персонала, а также с получением рентгеновских шаблонов. Обычно в качестве их используются кремниевые или полиимидные основания с нанесенным на них прецизионнымрисункомиззолота,вольфрамаили тантала.Ноони слишком подверженыразрушению. Следующей серьезной проблемой применения ренгеновского экспонирования в технологии изготовления изделий электронной техники является слишком низкая чувствительность большинства органических материалов к рентгеновскомуизлучению. Повышаютчувствительностьзасчетвведениявсостав рентгеновскогорезиста соединений, содержащихатомы тяжелых элементов. Последнееприводит к загрязнениюматериала подложки и неисправимому изменению ее электрофизических свойств. Максимальное разрешениепри рентгенолитографии 0,05мкм, минимальная формируемая структура 0,4 мкм.

И о н н а я л и т о г р а ф и я появиласьсравнительнонедавно, но именно ей принадлежит рекорд в получении изделий с минимальными размерами элементов. Другим ее преимуществом является то, что внедрение ионов в состав резистного слоя значи-

191

тельно увеличивает стойкость его к действию кислородной плазмы или реактивного ионного травления в кислороде. В этом случае проявлять изображение можно травлением в кислородной плазме. Однако при всех явных преимуществах этой технологии она имеетодин р е ш а ю щ и й н е д о с т а т о к: интенсивность источниковионов спрецизионносформированнымипучкамислишком мала.

По-видимому, наиболее оправданным в настоящее время являетсяиспользованиетакназываемой г и б р и д н о й т е х н о - л о г и и э к с п о н и р о в а н и я. В ней элементы с размерами до 1,5–2 мкм формируются методом фотолитографии, электронная и ионная литографии используются для формирования элементов лишь с прецизионными размерами. Поскольку доля элементов с малыми размерами обычно невелика, время производства изделий с использованием гибридной технологии является приемлемым.

Фотолитографические операции проводят в «чистых комнатах», расположенных внутри рабочих помещений. Воздух, подаваемый в «чистые комнаты», тщательно фильтруют, пропуская через волокнистые фильтры с высокой производительностью. Работать в чистых комнатах можно только в специальной одежде, изготовленной из мало пылящих материалов, в перчатках. Комплект одежды закрепляется за каждым работающим персонально. При работе в «чистых комнатах» нельзя делать резких движений, разговаривать.

Наиболее опасно присутствие в воздухе частиц размером менее 0,5 мкм, посколькуони могут долго находиться во взвешенном состоянии и оседать на подложки. Стандартом России установлено следующее разделение производственных помещений в зависимости от концентрации частиц размером менее0,5мкм в 1л воз-

духа:0,5, 35, 350, 1000, 3500, 10000и 35000. ВСШАпринятыиные способы классификации «запыленности» рабочих помещений:

–комната класса 10 содержит в воздухе не более 300 частиц

в1 м3 (диаметр частиц 0,5 мкм);

–комната класса 100 – не более 3600 частиц в 1 м3 и т. д.

192

10.МАТЕРИАЛЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ: ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ, СВОЙСТВА, ТЕХНОЛОГИИ

На н о э л е к т р о н и к а – это область современной электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем и устройств с размерами элементов менее 100 нм.

10.1.Предпосылки перехода от микро- к наноэлектронике

Для появления специального термина «наноэлектроника», кроме чисто формального повода переименовать микроэлектронику при переходе от микрометровых топологических размеров к нанометровым, был целый ряд принципиальных причин, обусловленных развитием физики твердого тела. Одной из главных является стремление к миниатюризации изделий. Анализ развития технологии и производств традиционных интегральных схем на кремнии с полевыми и биполярными транзисторами в качестве основных активных элементов свидетельствует, что минимальный топологический размер для этих схем составляет около 100 нм. Плотностьзаписи информации намагнитныхиDVD-носителяхпо- дошла кфизическомупределуиз-за размерныхограничений в микротехнологиях.

Для дальнейшего уменьшения размеров элементов интегральных схем (менее 100 нм) необходима разработка новой элементной базы. Открытие новых физических явлений в нанометровых твердотельных структурах, таких как интерференция электронов,

194

создание электронных волноводов, нульмерных квантовых точек и т. д., позволилоопределитьновыеактивныеэлементыинтегральных схем, работающих на совершенно новых принципах. Кроме того, в 1970-х гг. был изобретен сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), позволяющий манипулировать с веществом на атомарном уровне и создавать объекты, составляемые из отдельных атомов. Термин «наноэлектроника» логически связан с термином «микроэлектроника» и отражает переход к элементам с размерами в нанометровой области. Этот процесс развития технологии отражает эмпирический закон Мура, который гласит, что количество транзисторов на кристалле удваивается каждые полтора-два года.

О с н о в н а я з а д а ч а н а н о э л е к т р о н и к и – разработка:

–физических основ работы активных приборов с нанометровыми размерами, в первую очередь квантовых;

–физических основ технологических процессов;

–самих приборов и технологий их изготовления;

–интегральных схемснанометровыми технологическими размерами;

–изделий электроники на основе наноэлектронной элементной базы.

Принципиально новая особенность наноэлектроники связана

стем, чтодляэлементовнаноразмеров начинаютпреобладатьквантовые эффекты с появлением новой номенклатуры свойств. И хотя квантовые приборы на основе наноструктур еще не заменили обычные диоды, транзисторы и т. п., их потенциальные возможности оцениваютсяоченьвысоко. Так, нанокристаллыв нанокристаллических полупроводниковых пленках позволяют реализовать терабитную память. Это свойство, наряду с наблюдаемой фотолюминесценцией таких пленок, может быть принципиально важным для создания новейших приборов одноэлектронной и однофотонной наноэлектроники. На основетвердотельныхнаноструктур разрабатываются новые квантовые структуры, которые станут элементами большихинтегральныхсхем, способныхсгигантской скоростью перерабатывать и хранить огромные объемы информации.

195

Областями применения наноматериалов являются высокоселективные и чувствительные оптические сенсоры, лазеры и лазерные дисплеи созначительнобольшейяркостью, одноэлектронныетранзисторы для квантовых компьютеров, высокоэффективные солнечные элементы, полимерные наноструктуры, жидкокристаллические наноматериалы и т. п.

10.2.Понятие наноматериалов и их виды

На н ом а т е р и а л ы – этовидпродукциинаноиндустрии, вещества и композиции веществ, представляющие собой искусственно или естественно упорядоченную систему базовых элементов с нанометрическими характеристическими размерами и особымпроявлением физическогои (или) химическоговзаимодействийпри кооперации наноразмерныхэлементов, обеспечивающих существенное улучшение или возникновение совокупности качественноновых (в том числеранее неизвестных) механических, химических, электрофизических, оптических, теплофизических и других свойств данных материалов, определяемых проявлением наномасштабных факторов.

Размеры структурных элементов наноматериалов лежат в диапазоне от 1 до 100 нм. Проявление в наночастицах квантово-раз- мерных эффектов приводит к резкому изменению их основных характеристик и свойств.

Наноматериалы делятся на компактные материалы и нанодисперсии; к первым относятся так называемые наноструктурированные материалы, т. е. изотропные по макросоставу материалы, повторяющимися элементами структуры которых являются группировки (области), имеющие размеры нескольких нанометров, иногда десятки нанометров и более; иными словами, наноструктурированные материалы состоят из непосредственно контактирующихмеждусобой нанообъектов. Вотличиеоткомпактныхматериалов, нанодисперсии состоятизсредыдиспергирования(вакуум, газ, жидкость или твердое тело), в которой распределены изолированные друг от друга нанообъекты. Расстояние между нанообъектами

196

в нанодисперсиях может меняться в достаточно широких пределах – от десятков нанометров до долей нанометра; в последнем случае мы имеем дело с нанопорошками, где нанообъекты разделены тонкими (часто моноатомными) слоями из легких атомов, препятствущих их агломерации.

На н о ч а с т и ц а – это квазинульмерный (0D) нанообъект,

укоторого все характерные линейные размеры имеют один порядок величины; как правило, наночастицы имеют сфероидальную форму; если в наночастице наблюдается ярко выраженное упорядоченноерасположениеатомов (или ионов), тотакие наночастицы называют нанокристаллитами. Наночастицы с выраженной дискретностью системы уровней энергии часто называют «квантовыми точками» или «искусственными атомами».

Согласноклассификации, принятой наМеждународной конференции по нанотехнологиям, выделяют следующие типы наноматериалов:

– нанопористые структуры;

–наночастицы;

– нанотрубки и нановолокна;

– нанодисперсии (коллоиды);

– нанокристаллы и нанокластеры.

По н а з н а ч е н и ю наноматериалыделят на функциональные, композиционные и конструкционные.

Получение наноразмерных структур относится к направлению н а н о т е х н о л о г и и. Пинятовыделятьнесколькоосновных разновидностей наноматериалов:

– консолидированные,

– нанополупроводники,

– нанополимеры,

– нанобиоматериалы,

– фуллерены и нанотрубки,

– наночастицы и нанопорошки,

– нанопористые материалы,

– супрамолекулярные структуры.

197

К о н с о л и д и р о в а н н ы е н а н о м а т е р и а л ы – это компакты, пленки и покрытия из металлов, сплавов и соединений,получаемые,например, методами порошковойтехнологии,интенсивной пластической деформации, контролируемой кристаллизации из аморфногосостояния и разнообразными приемами нанесения пленок и покрытий.

Н а н о п о л у п р о в о д н и к и, н а н о п о л и м е р ы и

на н о б и о м а т е р и а л ы могут быть в изолированном, частично в смешанном (консолидированном) состоянии.

Ф у л л е р е н ы и н а н о т р у б к и стали объектами изучения с момента открытия новой аллотропной формы углерода –

кластеров С60 и С70, названных фуллеренами. Более пристальное внимание новые формы углерода привлекли к себе, когда были

обнаружены углеродные нанотрубки в продуктах электродугового испаренияграфита.

Н а н о ч а с т и ц ы и н а н о п о р о ш к и представляют собой квазинульмерные структуры различного состава, размеры которых не превышают в общем случае нанотехнологической границы. Различие состоит в том, что наночастицы имеют возможный изолированный характер, тогда какнанопорошки –обязатель- носовокупный. Похожимобразомнанопористыематериалыхарактеризуются размером пор, как правило, менее 100 нм.

С у п р а м о л е к ул я р н ы е с т р у к т у р ы – этонаноструктуры, получаемые в результате так называемого нековалентного синтеза с образованием слабых (вандерваальсовых, водородных и др.) связей между молекулами и их ансамблями.

По химическому составу и распределению фаз выделяют четыре типа структуры неполимерных наноматериалов: 1) однофазные, 2) статические многофазные с идентичными и 3) неидентичными поверхностями раздела и 4)матричные многофазные. Также выделяюттри типа структурыпоформе:1)пластинчатую, 2)столбчатую и 3) содержащую равноосные включения.

198

10.3.Размерные эффекты

При уменьшении размеров частиц до 100 нм и меньше практически всегда наблюдается резкоеизменениемногихважных параметров и свойств вещества. В частности, сильно меняются такиепривычныеи ценныехарактеристики, кактемпература плавления, запрещенная зона, цвет, потенциал ионизации, механическая прочность, каталитическая активность, магнитные свойства. Короче говоря, многие физические параметры веществ, обычно считающиеся постоянными (справочными или константами), при уменьшении размеров частиц вдругстановятсянепростопеременными величинами, а переменными оченьсложноготипа. Удобнее всего разделить проявляющиеся при малых размерах эффекты на внутренние и внешние. Первые отражаются на электронной структуре, а вторые – на объемных свойствах вещества. При этом нарушаютсямногиефизическиезаконы, справедливыев макроскопической физике. Например, закон Ома, известные формулы сложения сопротивлений проводников при их параллельном и последовательном соединении, каталитические, магнитные, оптические свойства.Так,существенноснижаетсятемпература плавлениянаночастиц металлов по сравнению с массивным образцом. Вода в нанопорах горных пород не замерзает до –20…–30°С. Коллоидные растворы золота дают целую гаммуцветов – от оранжевого (размер частиц меньше 10 нм) до синего (размер частиц около 40 нм).

Причина резкого изменения свойств материалов с уменьшением размеров частиц – в увеличении их удельной поверхности при соответствующем возрастании свободной энергии. Близкие к сферическим наночастицы обычно называют к л а с т е р а м и или н а н о к л а с т е р а м и. В них содержится конечное число атомов. При диаметре 100 нм частица содержит около 107 атомов. Числосодержащихсяв кластереатомов быстроснижаетсясуменьшением его диаметра. При диаметре в 10 нм кластер содержит около 1000 атомов, а при диаметре 1 нм лишь 13 атомов.

Наиболее вероятным вариантом уменьшения размеров частиц твердой фазы выступает постепенное изменение строения и плот-

199