НАНОЛИТОГРАФИЯ

Понадобилось совсем немного времени после изобретения сканирующей

туннельной микроскопии для того, чтобы осознать и реализовать в дополнение

к ее исследовательским функциям еще и активные: захват отдельных атомов,

перенос их в новую позицию, атомарную сборку проводников шириной в один

или несколько атомов, локальные химические реакции, манипулирование от-

дельными молекулами и т.д.

Впервые возможность контролируемого перемещения отдельных атомов

вдоль кристаллической поверхности продемонстрировал Д. Эйглер с сотрудни-

ками в 1991 г. Чуть позже в печати широко тиражировали изображение логоти-

па фирмы IBM (США), выложенное на поверхности кремния несколькими де-

сятками атомов золота.

На рис. 4.30 показаны примеры такой поатомной сборки "пляшущего чело-

вечка", иероглифов и "квантового загона" для электрона.

Обычно используют два основных способа манипуляции атомами с помо-

щью иглы в STM: горизонтальный и вертикальный (рис. 4.31).

В первом случае подводят иглу к выбранному атому, опускают ее до "каса-

ния". Расстояние контролируют по величине туннельного сопротивления в зазо-

ре. Как правило, оно лежит в диапазоне 0,1... 10 МОм, что соответствует росту

туннельного тока до нескольких десятков наноампер при приложенном напря

жении ~ 1 В. Затем зонд смещают параллельно поверхности образца. При пра-

вильно установленном токе выбранный атом захватывается острием и переме-

щается вместе с ним до намеченной позиции. После этого иглу отводят на не-

сколько межатомных расстояний от поверхности и перенесенный атом остается

в новом положении на поверхности. При необходимости процессам захвата и

открепления атома от острия помогают изменением приложенного напряжения.

Процесс вертикальной манипуляции отличается от горизонтальной тем, что по-

сле захвата нужного атома его отрывают от поверхности, поднимая зонд на

несколько ангстрем. Это, разумеется, требует больших сил, чем "перекатыва

ние" атома по поверхности, но зато потом процесс переноса не зависит от

встречающихся на ней препятствий (ступеней, ям, адсорбированных атомов и

др.). Процесс отрыва атома от поверхности контролируют по скачку тока. После

перемещения в необходимое место его "сбрасывают" путем приближения ост-

рия к поверхности и переключения напряжения на игле.

Таким способом в разных лабораториях мира создают различные объекты:

квантовые ямы, атомные проволоки, вентили и т.п. В сущности, это пока лишь

демонстрация возможности достижения теоретического предела в оперирова-

нии веществом при конструировании полезных человеку устройств. Несмотря

на кажущуюся простоту, осуществление атомных манипуляций в массовом

масштабе, пригодном для производства, требует преодоления многих недостат-

ков лабораторной технологии: необходимости криогенных температур и сверх-

высокого вакуума, низких производительности и надежности и т.д.

Аналогичные достижения и проблемы присутствуют и в области манипу-

лирования молекулами, в частности фуллереновыми, биологическими, нано-

трубками. Зондовые микроскопы часто используют для разрезания органиче-

ских молекул (например, ДНК) в намеченном месте, захвате и прикреплении их

фрагментов к электродам, что позволяет собирать биоэлектронные устройства:

фото- и светодиоды, логические элементы и т.п. Так, например, соединения од-

нослойных углеродных трубок диаметром ~ 1 нм с различной хиральностью

(степенью скрученности вдоль продольной оси) дают возможность создавать

диоды, транзисторы и т.д.

Острые зонды (в частности, нанотрубки), обладая большим отношением

длины к радиусу закругления в вершине (> 103), являются эффективными авто-

полевыми эмиттерами электронов, перспективными в различных приложениях.

В качестве примера на рис. 4.32 схематически показано устройство плоскопа-

нельного дисплея высоких яркости и разрешения, основанное на автоэлектрон-

ной эмиссии с вершин нанотрубок.

С помощью зондовых методов в нанолитографии можно "рисовать" нано-

структуры с характерными размерами в десятки нанометров. Литография - пе-

ренос рисунка микросхемы на кремниевую подложку - ключевая стадия произ-

водства всей современной электроники, которая определяет число элементов на

чипе, плотность монтажа, быстродействие, стоимость и другие характеристики

интегральных микросхем (подробнее см. гл. 6).

В настоящее время литография в промышленных масштабах осуществляет-

ся оптическими методами, подошедшими к пределу своих физических возмож-

ностей. Поэтому все мировые производители и разработчики электроники ведут

интенсивный поиск новых методов литографии, основанных на неоптических

принципах переноса изображения на поверхность чипа. Одно из перспективных

направлений подобных разработок - использование различных зондовых нано-

технологий.

Наиболее продвинутыми в сторону практического приложения оказались

процессы:

- химического окисления и модифицирования поверхности, индуцируемые

движущимся острием (рис. 4.33);

- осаждения с острия органических молекул (рис. 4.34) или наноостровков

металла на поверхность методом скачка напряжения;

- контролируемого наноукалывания и наноцарапанья.

Минимальные размеры элементов, создаваемые этими способами, состав-

ляют -10 им, что позволяет в принципе осуществлять очень плотную запись.

Недостатком всех зондовых методов является низкая производительность, обу-

словленная "последовательным" принципом действия, поскольку запись осуще-

ствляется от точки к точке. Поэтому наряду с перечисленными разрабатываются

одновременные способы наномеханической записи информации методом нано-

импринтинга [4.19]. Вдавливаемый в мягкий материал мастер-штамп можно

представить в виде большого массива нановыступов, действующих одновре-

менно. Диапазон 1...10 нм остается пока неосвоенным для литографии даже в

лабораторных условиях.

Другим методам и проблемам нанолитографии посвящен специальный раз-

дел в гл. 6.