шаховой_юзюк_квантовая и оптоэлектроника

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

Рис. IV.7. Устройство PCT-экранов (а ) и изменение емкости электродов при поднесении к экрану пальца.

От указанных недостатков свободен другой вид емкостных экранов, обычно называемых проекционно-емкостными (PCT – projected capacitive technology). В конструкции используются две системы из вертикальных и горизонтальных хорошо проводящих ток электродов, изолированных друг от друга слоем стекла и образующих решетку (рис. IV.7). Каждый электрод, будучи проводником, имеет некоторую электрическую емкость. Другими словами, каждый электрод представляет собой «конденсатор». Микроконтроллер последовательно подает на каждый из электродов импульс напряжения и измеряет амплитуду возникающего импульса тока, который заряжает «конденсатор». Все горизонтальные (и все вертикальные) электроды имеют одинаковые размеры, форму и проводимость, поэтому их емкости приблизительно равны, следовательно, равны импульсы токов, поступающие от них. При поднесении к экрану проводящего предмета, например, пальца, емкость электродов меняется (рис. IV.7). Чем ближе электрод находится к тому месту, куда прикладывается палец, тем больше его емкость, потому что, как известно из физики, емкость обратно пропорциональна расстоянию между обкладками. А чем больше емкость электрода, тем больше импульс тока. Микроконтроллер сравнивает эти импульсы и находит электрод, имеющий максимальную емкость – это и есть координата точки касания.

РСТ-экраны имеют высокую прозрачность (до 90%) и способны работать в очень широком диапазоне температур (от - 40 С до 60°C). Загрязнения поверхности экрана, проводящие электрический ток, а также влажность вносят определенный вклад в изменение на пряженности поля на поверхности экрана. Однако это изменение является постоянным, оно фиксируется электроникой и вычитается при анализе, то есть, другими словами, игнорируется. Высокая чувствительность позволяет использовать для защиты экрана очень толстое (до 12 мм) и очень прочное стекло. Важной особенностью является возможность регистрации одновременно нескольких точек касания (так называемая функция мультитач – multi-touch), причем экран способен различать, например, касание стилусом и рукой. Обычно используется проводящий ток стилус, который вдобавок соединяется с системным блоком компьютера. приобретая нулевой потенциал, что позволяет ему

81

На пути в эру нанотехнологий…

вызывать значительно большие изменения емкости электродов, нежели пальцу руки. Одновременное использование стилуса и пальца руки позволяет более полно эмулировать работу мыши и ее клавиш.

РСТ-экраны незаменимы в тех случаях, когда требуется прочное, надежное и «вандалоустойчивое» устройство Банкоматы, пункты продажи билетов, справочные киоски, например, на вокзалах и в транспорте, обычно оснащаются именно такими сенсорными экранами. Также эта технология используется в экранах планшетных компьютеров и сенсорных панелях TouchPad, которые служат устройством указания (позиционирования) в ноутбуках.

Применение сенсорных экранов дает ряд преимуществ. Например, интерактивные справочные системы (киоски), используемые в аптеках, торговых центрах, банках и вокзалах, удобны в обращении и позволяют экономить время, чем, несомненно, привлекают клиентов. К сожалению, в нашей стране применение сенсорных экранов пока очень ограничено. Остается надеяться, чт о со временем этот недостаток удастся преодолеть.

Электронная бумага

Несмотря на огромные усилия производителей дисплеев и порой фантастические ухищрения, на которые им приходится идти, люди по-прежнему предпочитают читать с бумаги. Причем компьютеры, которыми сегодня оборудован любой офис, вместо того, чтобы избавить людей от вороха бумажной документации, сами являются жадными потребителями белых целлюлозных листов. Действительно, всякий документ, который занимает больше половины странички, люди предпочитают распечатать, затем прочитать и в течение того же дня выбросить в корзину. В основном такое поведение объясняется стремлением к комфорту – читать документы на бумаге куда приятнее, чем рассматривать его на мерцающем экране. Поэтому уже довольно давно возникла потребность в электронном дисплее, который обладал бы свойствами бумаги, – то есть в элек-

тронной бумаге!

История создания электронной бумаги (другое название «электронные чернила») начинается с 1974 года, когда один из сотрудников американской компании Xerox Николас Шеридан разработал дисплей на основе двухцветных шариков, который стал впоследствии первым прототипом электронной бумаги.

Корпорация Xerox была основана в городе Рочестер (штат Нью-Йорк) в США в 1906 году под названием Haloid Company и сначала занималась производством фотобумаги. В 1958 году компания была переименована в Haloid Xerox, а в 1961 году — в Xerox Corporation.

Корпорация Xerox была пионером на советском рынке копировальных аппаратов: в 1968 году прошла первая выставка, в 1974 году было открыто представительство в Москве. В результате по сей день в нашем разговорном языке все копировальные аппараты (независимо от производителя) часто называют ксероксами, а фотокопии, полученные на таких аппаратах – ксерокопиями. Также в просторечии можно встретить производный глагол: ксерить, отксерить и даже отглагольное прилагательное: отксеренный. Кстати говоря, ксерокс – это транслитерация названия Xerox, на самом же деле название корпорации правильно произносить «зирокс».

В настоящее время Xerox Corporation работает более чем в 160 странах мира, выпуская свыше 200 наименований продукции. Несмотря на то, что название компании является едва ли не синонимом копировального автомата, кроме копиров и расходных материалов к ним Xerox выпускает принтеры, контроллеры печати, сканеры, а также бумагу и материалы для печати и даже программное обеспечение…

Биографическая ремарка

Честер Карлсон

Рассказывая о компании Xerox, просто нельзя не упомянуть о самом изобретателе копировального аппарата Честере Карлсоне. Он родился 8 февраля 1906 года в Сиэтле (США) в семье парикмахера. Когда Честеру исполнилось 14 лет, он стал единственным кормильцем в семье. Несмотря на плачевное финансовое состояние, Честер все же сумел отучиться в колледже, а в 1930 году получил степень бакалавра по физике в Калифорнийском технологическом институте. Надо заметить, что во время Великой депрессии, охватившей в те годы Америку, найти работу, да еще по специальности, было практически невозможно, поэтому Честер после долгих поисков устроил-

82

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

ся, в конце концов, в компанию Mallory, славившуюся своими электрическими батарейками. Правда, свободных инженерных должностей не оказалось, и Честер возглавил патентный отдел компании. Недостаток образования пришлось восполнять вечерней учѐбой в юридической школе.

В обязанности патентоведов входило изготовление копий патентов, что в то время было очень трудоемким процессом. Существовало два пути получения копии с оригинала. Первый – фотокопирование. Способ достаточно длительный по времени, да к тому же требующий обращения в фотолабораторию. Второй – переписывание или перепечатывание текста документа и воспроизведение прилагавшихся к нему рисунков. Оба способа были крайне неудобными и занимали очень много времени. Карлсон задумался о том, что хорошо было бы придумать какой-нибудь быстрый и дешевый способ копирования нужных бумаг.

Вооружившись терпением, Честер проводил все своѐ свободное время в Нью-Йоркской публичной библиотеке, где перерыл горы технической литературы. В поисках решения он все больше внимания стал уделять явлению фотопроводимости (см. I главу), и в его голове родилась хитроумная идея. Он узнал, что фотопроводимость зависит от интенсивности падающего света, следовательно, если пластинку фотопроводящего материала освещать неравномерно, то электропроводность ее поверхности будет неодинаковой в разных местах, в зависимости от освещенности конкретного участка. Это значит, что распределение поверхностной проводимости освещаем ого материала будет повторять проецируемое изображение. Оставалось только его проявить.

Местом первых опытов стала собственная кухня изобретателя в его нью-йоркской квартире. Именно на кухне Честером Карлсоном и были проведены первые эксперименты, в ходе которых были заложены принципы того, что было названо им «электрофотографией». Наконец, 22 октября 1938 года изобретателю все-таки удалось реализоваться свой замысел: он получил первую в мире ксерокопию. Опыт, который он провел в тот день, состоял в следующем. Изобретатель взял цинковую пластину, покрытую мелкоизмельченной серой. Сера является диэлектриком, однако если ее облучить ярким светом, она начинает проводить электрический ток – работает фотопроводимость. Пластину эту, для придания ей первоначального заряда, экспериментатор натер носовым платком. Затем через кусочек стекла, на котором непрозрачными чернилами было написано «10- 22-38 Astoria», Честер осветил наэлектризованную серу пучком яркого света (опыт проводился в полностью затемненной комнате). В тех местах, где свет попал на цинковую пластину, за счет фотопроводимости статический заряд стек с поверхности. В местах, где буквы закрывали пластину, статический заряд сохранился. После засветки пластины на нее была высыпана щепотка ликоподия. Ликоподий или плаунное семя – это зрелые сухие споры плауна булавовидного, которые используют в качестве обсыпки таблеток и в составе присыпок. Затем легких дуновением споры были сдуты с платины: в местах, где остался заряд, мелкие частички прилипли к поверхности, образуя едва заметную надпись «10-22-38 Astoria». Числа – дата проведения эксперимента, Astoria – название гостиницы, в которой находилась квартира и, собственно, «лаборатория» Карлсона. Наконец, для того чтобы сохранить надпись, Честер накрыл пластину вощеной бумагой и нагрел ее. Споры налипли на воск и надпись проявилась. Первая ксерокопия, если таковой можно считать рисунок из спор, была готова.

Несмотря на положительный результат своих опытов, изобретатель долго не мог получить финансирование для продолжения исследований. За пять лет, с 1939 по 1944 год, изобретатель получил отказ более чем в 20 компаниях. Помог, как это часто бывает, случай. Однажды в патентный отдел компании Mallory, где продолжал трудиться Честер Карлсон, зашел доктор Рассел Дайтон, который заинтересовался новым способом получения копий, изобретенным главой патентного отдела. Вскоре Честер Карлсон заключил соглашение с Battelle Memorial Institute, в результате которого исследования, начатые Карлсоном, были продолжены. К концу Второй мировой войны над проектом трудилась уже целая группа ученых-исследователй, возглавляемых Роландом Шафертом. Прежде всего, была изменена конструкция фоторезистивной пластины – серу заменили на селен, материал обладающей большей фотопроводимостью. Другим техническим нововведением стала разработка «сухих чернил», позднее получивших название «тонера». Споры ликоподия, д а- вавшие весьма нечеткое изображение, были заменены смесью мелкодисперсного железа, хлорида аммония и пластика. Изображение стало более контрастным и четким. Дело стояло за промышленным внедрением изобретения.

В Рочестере существовала компания «Haloid», которая выпускала фотоплѐнку и медленно сдавала свои позиции в противостоянии с «Eastman Kodak». Нужен был новый продукт. В апреле 1945-го руководству компании попалась статья о достижениях Карлсона. Президент компании

83

На пути в эру нанотехнологий…

Джо Уилсон приехал в Battelle Memorial Institute , где лично повторил все опыты. Было решено вложить в это дело деньги.

Вскоре было решено заменить довольно громоздкий термин «электрофотография» более благозвучным. За помощью обратились в университет Огайо к специалистам по древнегреческому языку. Словосочетание сухая печать звучало на древнегреческом как «xeros» – сухой, плюс «graphos» – письмо, т.е. как ксерография. Однако немного позже копировальную машину было решено назвать «Xerox» – образно и кратко. Слово получилось настолько удачным, что сама компания

"Haloid" с 1958 стала называться "Haloid Xerox", а с 1961 ещѐ проще – "Xerox".

К 1950 году сделали первый серийную машину. Интересно отметить, что у первых копировальных аппаратов краска плохо закреплялась на странице, ее приходилось сильно нагревать. Поэтому первые ксероксы время от времени загорались. С 1950 по 1960 год они выпускались со встроенным огнетушителем.

Об изобретателе, кстати, не забыли. На своѐм изобретении Карлсон заработал 150 миллионов долларов, отдав почти 100 миллионов из них на благотворительные нужды. Умер Честер Карлсон 19 сентября 1968 года. Умер, прожив нелѐгкую жизнь, воплотив свою мечту в реальность, добившись практической реализации своей идеи, что не так уж часто и бывает.

Вернемся к истории создания электронной бумаги. В 1973 году в исследовательском центре Xerox в Пало-Альто (Palo Alto Reseach Center – PARC) был разработан персональный компьютер Alto. Это был первый в мире полностью персональный (в современном понимании) компьютер, предназначенный для работы с текстами. Однако у изумительного аппарата был один серьезный недостаток – его дисплей на основе электронно-лучевой трубки был недостаточно ярким и контрастным, и работать с ним можно было только в затемненном помещении. Нескольким исследователям поручили найти более удачное решение, которое позволило бы работать при нормальном освещении. Вот тут и выдвинул свою идею Шеридан, назвав новый тип дисплея Gyricon (от греческого «вращающееся изображение»). Руководство исследовательского отдела Xerox похвалило работу Шеридана над технологией Gyricon, однако указало ему, что производство дисплеев не входит в сферу интересов корпорации. В итоге, новый проект «положили в долгий ящик», где он пролежал до начала 1990-х. Лишь в 1992 году Николас Шеридан приступил к непосредственному созданию электронной бумаги. Итак, как же работает Gyricon?

Страница «бумаги» Gyricon представляет собой прозрачный, запаянный со всех сторон пластиковый лист, не превышающий по толщине 3 мм. Внутри пластиковой оболочки находится массив из миллионов круглых полостей. Каждая полость заполнена особой жидкостью, внутри которой свободно плавает маленькая двухцветная бусинка. Одна сторона бусинки темная (цвет не важен, главное добиться контраста), вторая – светлая. Каждая из сторон заряжена разнополярным зарядом, скажем, белая – положительным, а темная – отрицательным. На внутренних поверхностях пластиковой оболочки размещены прозрачные электроды, т.е. реализуется хорошо уже нам

знакомая – адресация. Управляя полярностью напряжения на электродах, бусинку заставляют повернуться к зрителю светлой или тѐмной стороной – на дисплее появится точка соответствующего цвета. Сетка прозрачных электродов формирует из миллионов бусинок контрастную картинку на всей странице. Изображение легко различимо практически под любым углом и воспринимается глазом подобно отпечатанному в типографии листу бумаги. Замечательным свойством электронной бумаги является ее способность «запоминать» цифровое изображение. Причем однажды появившееся изображение может храниться неделями, не потребляя при этом электроэнергию от аккумулятора; питание нужно только для смены изображения – в итоге электробумага может работать без подзарядки больше месяца!

Основным достоинством (а может, и недостатком) электронной бумаги является описанный выше принцип формирования изображения, не требующий дополнительной подсветки и, как следствие, позволяющий снизить до минимума уровень энергопотребления. Наиболее отчетливо изображение видно под прямыми солнечными лучами, тогда как в плохо освещенном помещении чтение затруднено. Кроме того процесс смены изображения на электронной бумаге происходит очень медленно, поэтому о просмотре анимированного изображении и уж тем более видео говорить не приходится.

К сожалению, Gyricon имеет малое разрешение, а возможность передачи полутонов вообще отсутствует, т.е. можно получать только двухцветное изображение (например, чернобелое). Тем не менее, производителями был разработан ряд интересных технологий с применени-

84

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

ем электронной бумаги, включая принтеры и сканеры, печатающие на «возобновляемой» поверхности листа. Кроме того, на бумаге Gyricon можно рисовать специальным «карандашом», заряженным на притягивание чѐрной стороны бусинок.

В 2005 году, после ряда убытков и слабого спроса на экраны Xerox объявила о ликвидации Gyricon. На данный момент всѐ, что осталось от этой технологии – это пакет лицензий для заинтересованных лиц.

Рис. IV.8. Устройство электрофоретического дисплея.

Однако электронная бумага не канула в лету. Идея Gyricon была подхвачена и усовершенствованна профессором Массачусетского Технологического Института Джозефом Якобсоном. В основу новой технологии легли исследования электрофореза, проводившиеся в Массачусетском институте. Напомним, что электрофорез – это явление перемещения мелких частиц, взвешенных в жидкой или газообразной фазе, под действием внешнего электрического поля. В новой технологии электронных чернил уже не используются относительно большие двухцветные бусинки, поворачивающиеся под действием поля. Здесь конструкция содержит микрокапсулы размером около 100 мкм, заполненных жидкостью (рис. IV.8). В жидкости плавают отрицательно заряженные черные частички краски и положительно заряженные белые частицы двуокиси титана. В остальном обе технологии схожи. При подаче на прозрачные электроды напряжения частицы соответствующего цвета за счет электрофореза всплывают к верхушке микрокапсулы, так что для наблюдателя эта зона будет выглядеть как белая или черная точка. Кстати говоря, технически такие дисплеи принято называть электрофоретическими (EPD-дисплеями), что подчеркивает принцип их работы. Яркость и разрешение «электрофоретической бумаги» оказались выше, чем у Gyricon, однако оба метода обеспечивают монохромное изображение.

В 1997 году Джозеф Якобсон основал компанию E Ink Corporation, которая сегодня совм е- стно с такими крупными компаниями, как Sony, Motorola, Amazon.com, производит дисплеи на основе технологии электронной бумаги. Прототипы первых дисплеев E Ink имели разрешение около 80 точек на дюйм и 2-битную глубиной серого цвета (четыре оттенка). Современное поколение дисплеев E Ink позволяет добиться разрешения 170 точек на дюйм, а в передаче полутонов – 3-битной глубины цвета (восьми градаций серого).

Как и в Gyricon, изображение на электрофоретических дисплеях очень стабильно. После формирования картинки силы межмолекулярного взаимодействия и остаточный заряд не дают частичкам взвеси изменить своѐ месторасположение в капсулах с жидкостью, а изображению распасться. Однако, как и в случае с бумагой Шеридана, смена изображения происходит очень медленно: в современных моделях около 0.75 секунд. Существенным преимуществом технологии E Ink является потенциальная гибкость экрана. В принципе, радиус кривизны EPD-дисплея ограничен лишь гибкостью материала управляющих электродов и подложки.

Трудность реализации цветных электронных чернил заключается в недостаточном разрешении EPD-дисплеев, хотя в последнее время эта проблема успешно преодолевается. Для прорисовки цветной точки, так же, как в случае ЖК-мониторов, требуется три субпикселя: красный, зеленый и синий. Однако для придания цветной картинке белизны вводится четвертый субпиксель – белый. В итоге, схема цветного электрофоретического дисплея – RGBW (Red Green Blue White). Необходимость в дополнительном субпикселе возникает по той причине, что цветное изображение на экране «электробумажного» дисплея получается в процессе отражения падающего на дисплей света от белого пигмента в капсулах. Всплыл белый порошок под красным субпикселем – видим красный, под синим – на экране появляется синяя точка и так далее. Такой подход, правда, не может обеспечить яркие краски цветного изображения – оно будет выглядеть выцветшим и блеклым. Несмотря на эти недостатки, в 2010 году E Ink объявила о технологии Triton, которая позволит наладить производство цветной электронной бумаги.

85

На пути в эру нанотехнологий…

Над разработкой электронной бумаги работают сейчас больше десятка известных компаний, не считая множества более мелких. После того как корпорация Xerox закрыла направление по разработке дисплеев Gyricon в декабре 2005 года, Николас Шеридан ведет независимые разработки и консультирует другие компании. Сам Шеридан представляет себе идеальную электронную бумагу как «…трубочку диаметром 1 см и длиной 15–20 см. Внутри находится «свиток», который легко разматывается через прорезь в трубке и расправляется в плоский прямоугольный лист, который удобно читать... Так же легко лист сворачивается – просто нажимаете на кнопку. Стоить он должен меньше $100, и такая игрушка будет в кармане у каждого!»

86

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

V. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ОБЪЕКТОВ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

Фотолитография. Электронно-лучевая литография

Самыми распространенными методами изготовления функциональных объектов в современной микроэлектронике являются литографические методы. Суть литографических методов сводится к созданию рисунка на поверхности специально подготовленной кристаллической пластинки – подложке – с помощью непрозрачного шаблона или с помощью электронного (ионного) пучка.

В первом случае изготавливается шаблон, являющийся увеличенной копией «рисунка», который нужно создать на подложке. Затем посредством специальной оптической системы полученный шаблон проецируют на пластинку, получая «рисунок» требуемых размеров. В случае использования электронного луча требуемая топология, т.е. «рисунок», содержится в памяти компьютера, и с помощью специальной электронно-лучевой сканирующей системы проецируется на подложку. При этом проецирование осуществляется последовательно от точки к точке.

Рис. V.1. Этапы фотолитографии.

После формирования изображения подложку обрабатывают посредством химического травления, а затем на готовом «рисунке» получают функциональные элементы микроэлектроники. В зависимости от вида используемого излучения литография может быть оптической (фотол и- тография), рентгеновской, электронно-лучевой и др. В этом пункте будут рассмотрены фото- и электронно-лучевая литография.

Самым первым методом фотолитографии является так называемый метод контактной печати. В нем выделяют несколько основных этапов.

1. На кристаллическую подложку (рис. V.1а) наносится тонкий слой специального материала (так называемого фоторезиста) (рис. V.1б) на котором и формируется нужная топология. Фоторезистом называют материал, который под действием света меняет свою структуру и становится растворимым (или наоборот, нерастворимым) в определенном классе веществ.

2. После нанесения фоторезиста на пластинку накладывается шаблон, содержащий нужный рисунок. Затем пластинку освещают светом. Процесс «засветки» резиста в процессе формирования изображения называют экспонированием. В тех местах, куда попал свет, фоторезист засвечивается и меняет свою структуру (рис. V.1в); в тех же местах, где располагался шаблон, фоторезист остается с прежними свойствами.

87

На пути в эру нанотехнологий…

3. После экспонирования проводят травление: фоторезист обрабатывается специальным растворителем. Незасвеченные (или наоборот засвеченные) области фоторезиста растворяются, создавая «окна», открывающие подложку (рис. V.1г).

Полученные окна можно использовать для различных целей. В показанном на рис. V.1 случае, пластинку обрабатывают веществом, способным растворять оксид кремния SiO2 , но не реагирующим с фоторезистом. В результате такой обработки окно углубляется на толщину слоя окиси кремния (риc. V.1д). Смыв специальным растворителем оставшийся фоторезист, получают нужный рисунок, «вырезанный» в оксидной пленке (рис. V.1е). Далее полученные окна можно использовать для проведения напыления других материалов, ионной имплантации (рис. V.1ж) и др. При ионной имплантации подложку, на которой уже сформирована требуемая топология, бомбардируют с помощью специальной пушки ионами какого-либо вещества. В местах, где в фоторезисте были проделаны «окна», ионы «вживляются» или, как говорят, имплантируются в подложку, причем глубина имплантации зависит от кинетической энергии ионов. На рис. V.1д область, содержащая имплантированную примесь, выделена более темным цветом.

Несмотря на кажущуюся простоту описанного метода, фотолитографический процесс является наиболее сложным в производстве микросхем. Кроме того, в соответствии с законами волновой оптики, минимальный размер пятна, в которое можно сфокусировать лазерный луч, опред е- ляется, кроме прочих факторов, длиной световой волны. Другими словами, существует так называемый дифракционный предел, который не позволяет формировать изображение, детали которого много меньше длины волны используемого излучения. Поэтому, начиная с 1970-х годов, развитие литографической технологии шло в направлении сокращения длины световой волны. Именно это позволяло уменьшать размеры транзисторов в интегральной схеме. С середины 1980-х годов в фотолитографии использовали ультрафиолетовое излучение, получаемое с помощью лазера. Сегодня применяют не лазерную технологию, получившую название EUV-литографии (Extreme UltraViolet – сверхжесткое ультрафиолетовое излучение с длиной волны 13 нм). EUV-литография делает возможной изготовление линий шириной до 30 нм.

Для создания еще более мелкой топологии используют электронно-лучевую литографию, в которой, как уже говорилось, вместо световых лучей используют пучки электронов. Длина волны электронов (так называемая дебройлевская длина волны) существенно меньше длины волны ультрафиолетового света, поэтому дифракционный предел здесь выше. Электронная литография используется для создания шаблонов (масок) для фотолитографии, где требуется нанометровое разрешение, в промышленности и научной деятельности. Основным недостатком электронно-лучевой литографии – это ее дороговизна. Системы электронной литографии для коммерческого применения стоят более 4 млн. долларов!

Завершая разговор о литографических методах, кратко опишем процесс создания микросхемы современного процессора. По большому счету, он начинается с выращивания цилиндрического кристалла кремния диаметром 200 или 300 мм. Дальше из этих кристаллических заготовок (болванок) нарезают круглые платины (их иногда называют «вафлями»), которые и являются подложками, служащими основой для производства микросхем. На подложке фотолитографическими методами формируются полупроводниковые транзисторы – основные структурные элементы современных микросхем. Следует отметить, что в производстве процессоров используют сухой м е- тод травления: для удаления с поверхности подложки диоксида кремния применяют ионизированный газ (плазму). Затем проводят ионную имплантацию – необходимый слой полупроводниковой структуры создан.

Описанный процесс повторяют несколько раз, формируя многослойные структуры. Процесс выращивания и обработки всех слоев длится несколько недель, а сам производственный цикл состоит более чем из 300 стадий. В итоге на кремниевой пластине формируются сотни идентичных процессоров.

Молекулярно-лучевая эпитаксия

Прежде чем познакомиться со следующим методом создания функциональных нанос и- стем, рассмотрим некоторые механизмы, протекающие при кристаллизации вещества на некот о- рой поверхности – подложке. Обычно в качестве подложек используют монокристаллические или поликристаллические пластинки.

88

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

Рост кристаллов начинается с адсорбции частиц на поверхности. Адсорбция является одним из видов сорбции. Сорбцией называется процесс поглощения одного вещества (сорбтива) другим (сорбентом). При адсорбции изменяется концентрация вещества на границе раздела фаз. Грубо говоря, адсорбция представляет собой процесс «прилипания» атомов к поверхности вещества, которое они окружают. Процесс адсорбции сопровождается понижением поверхностной энергии сорбента.

Пусть подложка имеет атомно-гладкую поверхность. Это значит, что на поверхности мало дефектов (ступенек, выступов, вакансий), и все атомы находятся приблизительно в пределах одной атомной плоскости. После того, как на такую поверхность из окружающей среды попадает атом, он некоторое время «бегает» по поверхности (точнее, скачками перемещается от одного атома подложки к другому), пока не остановится возле какого-нибудь дефекта. Именно дефекты кристаллической поверхности являются наиболее активными участками для протекания адсорбции, так как они имеют повышенную энергию. Пока атом находится «в ловушке», т.е. возле дефекта, к нему могут присоединиться другие адсорбированные атомы – начинается рост зародыша. Сам зародыш на начальных этапах своего роста является метастабильным, т.е. в любой момент может раствориться. Но если он успеет «вырасти» больше некоторого критического размера, то вероятность его распада становится маленькой. Таких закритических зародышей на поверхности может появиться достаточно много, и на некотором этапе они начинают сливаться друг с другом, образуя островки. В итоге островки перекрываются, и на поверхности подложки вырастает атомный слой.

Ориентированное нарастание одного кристаллического вещества на другом называется эпитаксией. Если нарастание одного кристаллического вещества происходит на подложке из того же вещества, то говорят о гомоэпитаксии (автоэпитаксии). Процесс ориентированного нарастания вещества на инородной кристаллической подложке называется гетероэпитаксией. Одним из самых популярных и очень перспективных типов наносистем в настоящее время являются наноразмерные гетероэпитаксиальные пленки – тонкие кристаллические слои, выращенные на различных подложках.

Рис. V.2. Молеку лярно-лучевая эпитаксия: 1 – подложко держатель, 2 – подложка , 3 – эффузионные ячейки, 4 – заслонки, 5 – электронная пушка , 6 – люминесцентный экран.

Очень распространенным методом создания наноразмерных пленок является метод моле- кулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Суть метода поясняет рис. V.2. В камере из нержавеющей стали создается сверхвысокий вакуум, необходимый для того чтобы при кристаллизации вырастало желаемое вещество без всяких примесей, которые могут попасть из воздуха. Внутрь камеры помещают образец (подложку); его устанавливают на специальном держателе, с помощью которого образец можно вращать, а также нагревать до требуемой температуры. Для эпитаксии используют специальные хорошо очищенные подложки с атомно-гладкой поверхностью. Напротив образца помещают «пушки» (так называемые эффузионные ячейки), каждая из которых посылает к подложке атомы определенного сорта. Контролируя подачу вещества, используя заслонки на эффузионных ячейках, можно выращивать тонкие пленки различного состава.

В камере роста также находится электронная пушка, с помощью которой можно контролировать рост отдельных атомных слоев! Контроль этот осуществляется достаточно просто. Пучок электронов посылают на поверхность подложки; электроны, словно от зеркала, отражаются (т.е.

89

На пути в эру нанотехнологий…

дифрагируют) от поверхности и попадают на специальный люминесцентный экран. Если поверхность атомно-гладкая, то интенсивность отраженного пучка велика. С началом эпитаксии на подложке начинается рост зародышей и островков, которые рассеивают посылаемые из пушки электроны, поэтому интенсивность отраженного пучка уменьшается. Это можно сравнить с тусклым отражением в зеркале, покрытом слоем пыли. Но как только на подложке вырастает отдельный атомный слой, поверхность снова становится атомно-гладкой, и на люминесцентном экране можно зарегистрировать «всплеск» интенсивности отраженного электронного пучка. Считая количество таких всплесков можно посчитать количество атомных слоев, выросших на подложке.

Особенностью рассматриваемого метода является невысокая скорость роста пленки. Обычно скорость роста составляет менее 1000 нм в час. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии идеально подходит для получения полупроводниковых пленок с простой стехиометрией (напр и- мер, соединения типа GaAs). В случае оксидных пленок (пленок различных диэлектриков) наиболее предпочтительными оказываются другие методы, в частности, метод импульсного лазерного напыления (ИЛН).

Импульсное лазерное напыление

В методе молекулярных пучков (МЛЭ) материалы из нескольких эффузионных ячеек, расположенных в вакуумной камере, поочередно поступают на поверхность подложки, при этом одновременно контролируется толщина и состав осаждаемой пленки. Можно сделать по-другому: предварительно выбрать состав вещества (изготовить из требуемого вещества мишень) и, используя данную мишень, нанести на подложку кристаллический слой нужной стехиометрии (напри-

мер, BaTiO3). Под стехиометрией понимают соотношения, в которых химические элементы реа-

гируют друг с другом. Так, в образовании молекулы BaTiO3 принимают участие один атом бария Ba, один атом титана Ti и три атома кислорода O. Итак, для предложенного способа можно использовать микровзрыв, при котором испаряется только малая часть большого образца (мишени), а затем осадить распыленное вещество на подложку. Такой микровзрыв можно обеспечить, концентрируя с помощью импульсного лазера энергию на поверхности мишени.

Рис. V.3. Импульсное лазерное напыление.

Схема метода приведена на рис. V.3. Излучение от импульсного лазера посылают на мишень (обычно керамическую), имеющую заранее определенный химический состав. Под действием лазерного импульса испаряется молекулярный слой вещества. Энергии импульса хватает на то, чтобы разогреть испаренное вещество настолько, что оно превращается в плазму (ионизированный газ). К концу лазерного импульса испаренным оказывается приповерхностный слой мишени толщиной 100 нм, а над облученной областью формируется плотный плазменный сгусток. З атем плазма летит к подложке.

Рядом с мишенью располагают подложку, на которой происходит осаждение вещества плазмы и рост кристаллической пленки. Мишень и подложку обычно располагают в вакууме, в частности, для уменьшения нежелательных примесей. Однако если выращивается оксидная пленка, то через систему пропускают буферный газ – в данном случае кислород O2 – который необходим для того, чтобы пленка выросла в правильной стехиометрии.

90