УДК 621.3.049.77

В.Д.Вернер, д-р техн. наук, проф., нпк тц миэт,
П.П.Мальцев, д-р техн. наук, проф., МИРЭА,
А.Н.Сауров, д-р техн. наук, НПК ТЦ МИЭТ,
Ю.А.Чаплыгин, чл.-корр. РАН, МИЭТ

Технологии минитюризации "сверху-вниз" или "снизу-вверх"

Рассмотрены возможные пути дальнейшей миниатюризации изделий массового производства микроэлектроники и микросистемной техники.

Миниатюризация технических изделий стала одной из движущих сил развития технических систем в конце XX и начале XXI века. Помимо соображений экономии материальных и энергетических затрат, при переходе к объектам следующего этапа миниатюризации огромное значение приобретает массовое производство миниатюрных изделий, которые становятся всепроникающими элементами профессиональной и личной жизни чело века (компьютинг, телекоммуникация, идентификация, адресация, мониторинг физиологического состояния и социального положения и т.д.).

В течение длительного времени технология миниатюризации была связана с процессами фрагментации исходной заготовки. Это можно проиллюстрировать на примере микроэлектроники. Сначала слиток, потом пластина, затем кристалл и далее транзистор, сток-исток, затвор и т.д. Все это напоминает работу скульптора, высекающего фи гуру из куска мрамора. Технология подобного рода на западе получила наименование технологии "сверху-вниз" (top-down).

Однако в той же области ‑ скульптуре есть другой подход, когда скульптор лепит фигуру из кусочков глины. В приложении к производственной технологии миниатюризации это направление обозначается как технология "снизу-вверх" (bottom-up). Наиболее впечатляющей технологией этого рода является нанотехнология (НТ). Нанотехнология должна создавать объект, группируя отдельные атомы или молекулы в микро- или макроблок. По этому принципу построена живая (биологическая) природа Земли. Сравнивая материалы и принципы их объединения в объект живой природы и современной техники, можно четко определить их различия.

В фундаментальном труде Д.Мэдоу "Основы микрофабрикации" [1] отмечено, что для живой природы характерно:

· использование композитов, а не чисто природных материалов;

· наличие последовательных уровней организации (иерархия);

· мягкие, гибкие материалы;

· самосборка, самоорганизация, самоумножение (репликация) на основе слабых связей;

· использование шаблона ‑ матрицы (например, "записи" информации в ДНК) для построения нового объекта;

· • деление.

Наиболее полно эти принципы реализуются в технологии биологии (биотехнология, генная инженерия и т.д.), но и в технике при использовании МСТ и НТ все чаще применяются отдельные методы построения объектов на основе природных способов проектирования и производства. С учетом приоритета массового производства миниатюрных объектов, прежде всего ищутся методы самосборки и самоорганизации. Дело в том, что элементные блоки природы, атомы и молекулы ‑ малы. Если собирать их последовательно, то процесс сборки будет очень длительным. Природа использует массовый параллелизм и самосборку для массового производства и принципы эволюции для отбора хорошего решения. В технике деление технологий по принципу "сверху-вниз" и "снизу-вверх" ‑ условно. Только для живой природы можно говорить о единственности принципа "снизу-вверх". В производственной технологии хотя и преобладает принцип "сверху-вниз", но есть множество примеров использования и принципа "снизу-вверх". В частности, это процессы синтеза и сборки. Чем чаще инженерная технология имеет дело с миниатюрными изделиями, тем больше в ней технологических процессов "снизу-вверх". Например, в микроэлектронике процессы удаления материала, резку, шлифование, травление можно отнести к процессам "сверху-вниз". Однако не менее значимы процессы осаждения, имплантации, легирования, которые можно отнести к процессам "снизу-вверх". Промежуточное положение занимают технологические процессы модификации, хотя они, наверное, ближе к процессам "снизу-вверх". Чем глубже продвигается процесс миниатюризации, тем больше места в технологии занимают процессы "снизу-вверх". С этой точки зрения нанотехнология ‑ это полный переход к принципу "снизу-вверх".

В микроэлектронике и микросистемной технике в настоящее время ищут пути сочетания традиционных для них технологий с нанотехнологией. Поэтому постоянно должна увеличиваться доля процессов "снизу-вверх". Реально это означает, что все большее значение должны иметь процессы биохимического синтеза материалов и биопроцессы наносборки структур, деталей, блоков и изделий. Био- и иммуночипы и сенсоры можно рас сматривать как примеры таких сборок. Те же принципы поиска комплементарного биообъекта могут быть использованы и для сборки небиологических деталей, к которым они прикреплены [2].

Переход в нанообласть миниатюризации связан с двумя факторами. Один из них переход к размерам менее 100 нм (хотя бы в одном измерении). Второй ‑ это переход в явном виде от законов классической физики к квантовым. Эти факторы могут сочетаться, но могут действовать и раздельно в определенных диапазонах размеров. Фактор размеров проявился, прежде всего, в слоевых структурах. Минимизация одного из размеров (толщины) часто приводит и к новым качествам изделий. В качестве примеров приведем модификацию поверхности технических изделий и технологию "кремний на изоляторе" (КНИ). Технические параметры изделий на КНИ-структурах (интегральных схем и сенсоров) оказываются часто на порядок лучше, чем на объемном кремнии [3].

Революционным для электроники стало использование структур с гетеропереходами для активных компонентов и многослойных наноструктур, для магниточувствительных структур запоминающих устройств вычислительной техники на базе эффекта гигантского магнитосопротивления [4].

Особое значение для продвижения в область нанотехнологии на базе принципа "снизу-вверх" имело открытие фуллеренов и углеродных нанотрубок (УНТ). Они оказались удобными "кирпичиками" для этой технологии, так как их размер существенно больше отдельных атомов. Вместе с тем они сами обладают уникальными свойствами, связанными с их структурой и наноразмерами. Высокое отношение площади поверхности к объему, характерное для миниатюрных объектов, химические свойства поверхности, возможность существенно менять электрофизические свойства УНТ ‑ от характеристик металла до диэлектрика (в зависимости от хиральности поверхности трубок) ‑ сразу вызвали большой поток предложений по возможным способам использования УНТ. Перечислим некоторые из них: зонды, включая зонды для туннельных и атомно-силовых микроскопов; острийные катоды и элементы транзистора в электронике; эффективные катализаторы и хранилища для газов; шаблоны для изготовления нанотрубок из других материалов и т.д. В настоящее время именно УНТ и фуллерены служат основой практического промышленного использования нанотехнологии. Как и в случае использования человечеством метал лов, практическое значение приобретают прежде всего их высокие механические свойства (например, для применения в композитах).

Использование других физических свойств УНТ связано с результатами широкомасштабных исследований в области НТ. В работе [5] мы отмечали, что мировой фонд финансирования исследований в области НТ ‑ порядка нескольких миллиардов долларов, а ожидаемый вклад в мировой рынок ‑ несколько триллионов долларов. Однако следует иметь ввиду чрезвычайную широту потенциального рынка изделий НТ: от мази для лыж до искусственных органов человека. Реальная значимость приложений НТ связана со степенью технологического обеспечения массового производства. Уже отмечалось, что наибольший прогресс приме нения НТ достигнут в создании новых композитных материалов [4,5]. Интересно заметить, что хотя интерес военного ведомства США к НТ значителен, первые реальные шаги направлены на создание не нового оружия, а нового конструкционного мате риала для военной техники и обмундирования для солдат. "Динамическое" обмундирование может менять свою прочность, жесткость, проницаемость путем воздействия на свойства волокон, заполненных, например, магнитными наночастицами [6]. Другим примером практического применения НТ может быть технология корпорации Pikington по нанесению 40 нм специального слоя на поверхность оконного стекла, в результате чего она становится гидрофильной и сплошная пленка воды смывает грязь [7]. Противоположное действие оказывает пленка с "лотос-эффектом". В этом случае поверхность становится гидрофобной и самоочищается от загрязнений [8]. Во всех этих примерах решен основной вопрос ‑ НТ включена в массовое производство. В микроэлектронике, классическом примере массового производства высокотехнологичных изделий, НТ станет эффективной, если будут найдены способы параллельной (групповой) обработки на базе принципа "снизу-вверх", например, за счет самоорганизации. Наиболее вероятен процесс освоения области размеров < 10 нм в электронике и МСТ за счет различных форм комбинирования традиционных технологий и материалов (т.е. "сверху-вниз") с новыми процессами "снизу-вверх" и привлечением новых материалов, в природе которых заложена возможность осуществления подобных процессов (полимеры, биомолекулы). Существенное значение имеет выбор основных "кирпичиков", из которых будут строится новые приборы наноэлектроники и наноэлектромеханические системы. Уникальные параметры, которые были получены на наноразмерных объектах, известны сравнительно давно [1]. Главным препятствием их практического приме нения всегда является отсутствие надежной технологии массового производства. Именно с таких позиций была сделана оценка роли нанотехнологии для наноэлектроники (НЭ) в статье К.А.Валиева и А.А.Орликовского в информационном бюллетене "Перспективные технологии" ‑ "ПерсТ.". Они отмечают, что единственным прибором микроэлектроники, сохраняющим свои переключательные свойства до 6-10 нм является кремниевый полевой нанотранзистор со структурой МДП. Анализ положения в разработке других приборов наноэлектроники привел авторов к заключению, что для области около 1 нм к 2001 г. не было предложено нанотехнологии для массового производства приборов и интегральных схем [9]. Наш анализ ситуации в последние годы, с помощью того же бюллетеня "ПерсТ.", свидетельствует о прогрессе в решении проблемы наноэлектроники при освоении области 10-1 нм и в других ее направлениях. Например, появились технологии повышения однородности квантовых точек для одноэлектронных транзисторов [10]. Следует отметить, что прогнозные оценки достижения определенных рубежей в области НТ и НЭ, как правило, корректируются всегда в сторону сокращения сроков на 1-3 года.

Обычно прогнозы базируются на анализе временной зависимости явления в предшествующий период и ее пролонгации на прогнозируемый период. Классическим примером служит закон Мура для развития изделий микроэлектроники. На его базе были предложены другие временные закономерности, например, для надежности ИС [11].

Реперные точки истории (и прогноза) нанотехнологии могут быть определены из разных предпосылок. Специалисты Nonmix Inc. ‑ фирмы, создан ной в 2000 г. при университете Беркли, представили линейную шкалу: 1980 г. ‑ наночастицы (ТiO₂ в солнечных экранах); 1990 г. ‑ нанокомпозиты; 2010 г. ‑ наноэлектроника; 2020 г. ‑ спинтроника, квантовый компьютинг, далее системы памяти на одном электроне или атоме.

На самом деле темп миниатюризации определяется не законом Мура или подобном ему, а реальной потребностью включения изделий, изготовленных с помощью НТ, в товарный продукт. На пример, анализируя влияния НТ на развитие датчиков, автор работы [12] на XVI конференции "Евросенсор-2003" считает, что в настоящее время сверхминиатюрные датчики нужны только для эксклюзивных применений, например, в микророботах, перемещающихся в кровеносных сосудах. Когда потребность в массовом производстве таких изделий станет реальностью, тогда и нужно будет решать проблему наносенсоров для них.

В работе "Международная технологическая маршрутная карта для полупроводников" (ITRS) – 2001 г. ‑ одном из важнейших прогнозных документов развития мировой полупроводниковой промышленности, частично связывают ее прогресс с использованием постлитографических процессов и переходом от чисто планарных технологий к не-планарным и пост-КМОП-приборам. Примером такой постлитографической технологии может служить метод импринтлитографии наноструктур в кремнии, разработанной в лаборатории наноструктур Принстонского университета [13].

Разработка фирмой Infineon методов точного позиционирования углеродных нанотрубок на кремниевых пластинах (вариант технологии "снизу-вверх") [14] существенно продвигает их использование как элементов в субмикрометровом массовом производстве интегральных схем. Вместе с тем, идея создания наноприборов на базе самих углеродных нанотрубок ставится под сомнение, так как невозможно изменять их физические свойства по длине [15]. Авторы считают, что большие возможности имеют монокристаллические полупроводниковые нанопроволоки, так как уже разработаны низкотемпературные каталитические технологии варьирования их размеров и состава. Этот тезис оспаривается специалистами в области УНТ, потому что для создания p‑n-переходов можно использовать частично заполненные УНТ. Нанокомпоненты важны для создания не только активных элементов на чипе, но и дополнительных элементов, обеспечивающих их функционирование. Уже сейчас технология МСТ используется для создания матрицы микрофлюидных каналов на обратной стороне интегрального чипа в целях отвода теплоты [16]. Сотрудники университета Пэрдью запатентовали метод охлаждения с помощью "коронного ветра", который создается разрядом на матрице углеродных нанотрубок в кварцевой подложке, или на поликристаллических алмазных пленках [17]. С помощью фуллеренов улучшают качество резистов [18]. Число предложений по применению НТ в электронике постоянно растет, но доля тех из них, которые позволяют перейти к технологиям массового производства, пока не велика. Широкий фронт исследований вступает в противоречие с задачей доведения результатов научных исследований до практического результата. Это особенно четко понимают в странах, которые не могут себе позволить финансирование исследований НТ на сумму 2 млрд долл., как США. В Англии первая программа по нанотехнологии началась в середине 80-х годов прошлого столетия. В июле 2003 г. принята новая государственная шестилетняя программа на 160 млн долл. (Micro and Nanotechnology Manufacturing Initiative). Ожидается, что она будет под держана частными фирмами в 3 раза большей суммой для проведения прикладных работ в области нано- и микротехнологии. На парламентских слушаниях по докладу Комитета по науке и технологиям была отмечена слабая коммерциализация результатов исследований. Причину этого видят в распылении средств по многочисленным группам и, по мнению комитета, лучше сконцентрировать эти средства для создания одного или двух центров НТ мирового уровня [19]. Эффективность практики создания таких центров общепризнанна (см. например, [20]). В терминологии данной статьи можно сказать, что такие центры создают условия продвижения НТ и МСТ "снизу-вверх" более оптимально, чем действующий пока принцип "каждой сестре по серьге", т.е. принцип деления финансовых средств "сверху-вниз".

Несомненно, что широкое распространение наноустройства и наноприборы (включая наноэлектронику) могут получать только после того, как конкретные типы НТ станут основой массового производства. Для этого они должны включать в себя такие процессы как самоорганизация, само сборка и самовосстановление.

В неорганических материалах известны примеры проявления таких процессов. В частности, наблюдалось образование упорядоченных структур частиц и дефектов в металлической или полупроводниковой кристаллической матрице, включая квантовые точки и квантовые проволоки [21]. По одной из теорий образование структуры пористого кремния [22] связано с явлением самоорганизации. Упомянутый в работе [10] успех при работе с наночастицами тоже связан с самоорганизацией.

Гораздо чаще эти процессы наблюдаются при химических или биологических изменениях структур и состава материалов объектов. По этой причине роль таких процессов должна возрастать не только в промышленной химии и биологии, но и в таких "твердотельных" отраслях как электроника и микросистемная техника. Как следствие, можно ожидать частичного вытеснения традиционных материалов "новыми" для этих отраслей материалами (полимерами и другими органическими и биологическими материалами).

Это не значит, что процессы "сверху-вниз" будут полностью заменены процессами "снизу-вверх". Создание, например, композитов можно рассматривать с обеих точек зрения. Импринт-технология может быть частью НТ, хотя она скорее относится к процессам "сверху-вниз", чем к противоположным.

В связи с этим следует еще раз подчеркнуть, что реальный прогресс в освоении массового производства изделий с элементами размером порядка нескольких нанометров будет основан на найденных эффективных сочетаниях технологий миниатюризации "сверху-вниз" и "снизу-вверх". На основании анализа развития микроэлектроники и микросистемной техники такое слияние технологий будет происходить в ближайшие 5-10 лет. Именно в этом временном интервале находятся, например, сроки освоения производителями интегральных схем области структур с размерами менее 90 нм. Формальное определение нанообъектов на нотехнологии лежит именно в этом интервале (100...1 нм).

В 2006 г. Toshiba Corp. и NEC Corp планируют начать выпуск ИС с нормами 65 нм, в 2007 г. Texas Instruments собирается освоить изготовление структур в 45 нм. Основная трудность заключается в поисках новых материалов, способных заменить традиционные структуры на кремнии, диоксиде кремния и поликремния. В издании ITRS 2003 г. это обстоятельство обозначено как наступление эры "ограниченного материалами масштабирования". Например, если масштабировать классическую КМОП-структуру, то толщина подзатворного диоксида кремния вместе с переходным слоем должна быть 2...5 Å (0,2...0,5 нм). Нужно найти матери ал, более толстая пленка которого была бы эквивалентна по свойствам такой пленке (equivalent oxide theckness-EOT). Возможно это будут силикаты гафния или другие материалы с высоким значением диэлектрического к-коэффициента. В любом случае подтверждается прогноз [9] о дальнейшем развитии массового производства в полупроводниковой электронике. В настоящее время активно ищутся пути улучшения традиционных структур, а не новая структура, работающая на новых принципах. Можно сказать, что на данном этапе используется размерная составляющая нанотехнологии, а ее физические ‑ квантовые аспекты вероятно будут востребованы в массовом производстве в следующем десятилетии.

Список литературы

1. Madou M.I. Fundamentals of microfabrication. CR с PRESS, 2002.

2. Yen A. Fluidic Self-Assembley of Microstructures and Its Application // IEEE. Workshop of MEMS. Japan. 1994. P. 221-228.

3. Тимошенков С.П. Элементы электромеханических систем, реализуемых на составных структурах // Микросистемная техника. 2002. №4. С. 3-6.

4. Алферов Ж.И. и др. Наноматериалы и нанотехнологии // Микросистемная техника. 2003. №8. С. 3-13.

5. Вернер В.Д., Мальцев П.П., Сауров А.Н., Чаплыгин Ю.А. Синергетика миниатюризации: микроэлектроника, микросистемная техника, наноэлектроника // Микросистемная техника. 2004. №7. С. 23-29.

6. Журавлева Л. Армия держит под прицелом нанотехнологии // ПерсТ. 2003. №3.

7. http://nanotechweb.Org/articles/l/9/13/l.

8. Dickert F.L., Binders R. Parallel-Processing of Chemical Sentive layers by Self-Assembling // Sensor 2003. Processing. P. 135-140.

9. Валиев К.А., Орликовский А.А. Позиция // ПерсТ. 1-12, http:/perst.isssph.ru/inform/perst/2001/112/n.asp?ffle=perst.html@label=H12.

10. 10. Brinker J. Self-assembled nanoparticles are insulated Electronic Manufacturing 2004-05-04. Global-electronics.net.

11. Pecht J. Solution to Rediability Prediction // Proc. SPIE. V. 4755. P.  5-20.

12. Schiitz A. Nanotechnology and Future Sensors // Sensor 2003. Proceeding. P. 351-355.

13. Chon S.Y., Kranss R.P. Sub-10 nm Imprint Litografy and applications // Vac. Sei. Technol. 1997. B. 15. P. 2897-2904.

14. Nanotecbnic fur ubernorgen // Technik. November 2003. №45.

15. Huber C. Researchers seek bricks to build nanoscale structures // EE-Times. 2004-04-01 http://www.global-electronics.net.

16. Jiang L., Wong Man. Forced Convection Boiling in a Microchannel Heat Sink // J. 2001. V. 10. №1. P. 80-88.

17. Garimella S. Nano Work chases self-cooled ships. Purdne University. http://global-electronics.net/index.php&view-print@id=23265@cmeenties_id=4392.

18. Фуллеровские маски для электронной литографии // ПерсТ. 1999. Т.6. С. 2-3,

19. Inquiry calls UK government support of nanotechnology "lacking in foresight" // Electronic Manufacturing. 2004-04-05. ht tp://www.global-electronics.net.

20. Вернер В.Д., Мальцев П.П., Пурцхванидзе И.А. Организация формирования и реализации национальных и региональных программ по микросистемам и нанотехнологии // Микросистемная техника. 2002. №12. С. 9-11.

21. Verner I.V., Gerasimenko N.N., Corbett J.W. Chaos and Stability in Defect Processes in Semiconductors. Trens Tech Publication, 1993.

22. Пористый кремний врывается в прикладную оптоэлектронику. Разгадка механизма формирования // ПерсТ. 1999. Т.6. Р. 5. С. 3-5.

23. Jeng G.-H. и др. Phys. Rev. B2003, 68.075 410.