Нанотехнологии в науке и технике

1. Макромир, микромир, наномир, мир элементарных частиц

1.1 Основные положения квантовой теории

1.2 Свойства микрои наночастиц

1.3 Природные и искусственные наночастици

2. Микроэлектроника

3. Наноэлектроника

4. Наноэлектроника в России

Заключение

В течение тысячелетий человек использовал в быту и технике макроскопические тела, состоящие из большого числа атомов, будь это каменный топор или авиалайнер. Первая научно-техническая революция — индустриальная, или энергетическая, — условно отсчитывается с получения Дж. Уайтом в 1769 г. основного патента на усовершенствованный паровой двигатель, который привел к резкому увеличению производительности труда во всех сферах производства, в добыче ископаемых, в сельском хозяйстве и на транспорте. До этого источником энергии была энергия ветра, падающей воды и (очень часто) просто мышечная сила животных и людей.

С началом развития микроэлектроники в 1960;х гг. началась вторая научно-техническая революция — информационная. Автомобили и другие средства передвижения, станки и приборы оставались макроскопическими телами, так как единицей масштаба служит размер человеческого тела, но управляющие элементы, устройства для передачи и приема информации становились все сложнее, а составляющие их единицы (транзисторы, конденсаторы, сопротивления) все миниатюрнее. Эмпирический закон Мура (удвоение плотности чипов каждые полтора, два года) оказался достаточно универсальным и уже 40 лет выполняется в ряде областей, основанных на так называемых «критических» технологиях. Экстраполяция этих результатов на наше время неизбежно приводит электронику из микроструктур к наноструктурам: транзисторы и другие элементы вскоре должны будут состоять из считанного числа атомов.

Появление и развитие нанотехнологии означали начало третьей научно-технической революции, которая на наших глазах постепенно охватывает все области цивилизации: технику, медицину, экологию, освоение космоса и так далее, по мнению специалистов, изменит облик мира уже к концу первого — началу второго десятилетия XXI века.

Рис. 1. Шкала размеров наномира

Приставка «нано» означает одну миллиардную, 10^-9. На греческом языке «нано» означает «карлик». Нанометр, видимо, впервые ввел А. Эйнштейн при рассмотрении молекулы сахара. В низкомолекулярных твердых телах (металлах, ковалентных кристаллах типа алмаза, ионных кристаллах) расстояние между атомами составляет десятые доли нанометра: на отрезке длинной 1 нм уложится несколько атомов. По принятому международному определению наноструктуры могут иметь размеры от 1 до 100 нм, хотя в одном направлении (сверхтонкие пленки и поверхности), или только в двух (нанонити и нанотрубки), или по всем трем направлениям (кластеры), и в целом содержать большое число атомов, но их свойства все равно принципиально отличаются от обычных макроскопических тел.

Наноматериалами называются макроскопические материалы, если элементами их структур являются наноструктуры, наноразмерные элементы.

Свойства наночастиц изучает нанонаука, находящаяся на границе физики, химии, биологии и информатики. Нанотехнология разрабатывает пути получения и использования наноструктур, однако фактически этот международный термин понимается шире, чем русский термин «технология» /10/

Актуальность темы

обусловлена значимостью нанотехнологий и микроэлектроники в нашей жизни, в глобальных масштабах мирового общества.

Объектом: изучение развития технологий в области микрои наноэлектроники.

Предмет: применение нанотехнологий в науке и технике.

Цель работы: рассмотрение исторического усовершенствования микрои нанотехнологий, а также анализ перспектив развития.

Задачи:

— ознакомится с основами микроскопии в электронике;

— проследить историю проектирования технологических микрообъектов;

— рассмотреть область применения микрои нанотехнологий в науке и технике.

1. Макромир, микромир, наномир, мир элементарных частиц

1.1 Основные положения квантовой теории

Мы будем рассматривать устройство окружающего нас мира с точки зрения физики — на микроскопическом и даже наноскопическом уровне. Законы этого мира существенно и принципиально отличаются от законов привычного нам макроскопического мира, в котором все доступно нашим органам чувств. В макроскопическом мире механика Ньютона является универсальным законом движения материальных точек, из которых можно построить все многообразие субъектов окружающего нас мира. Классическая материальная точка — это маленький, локализованный в ограниченной области пространства субъект материи, движущийся по законам ньютоновской механики. Его движение в пространстве является непрерывным на всех уровнях увеличения, то есть является континуумом.

Понятие континуума легко представить, если обратиться к последовательности — числовому ряду: 1, 2, 3… Этот ряд по большему счету и представляет собой континуум — бесконечно непрерывный ряд чисел, не прерывающийся при любом его углублении до сколь угодно малых величин и различий. Точно также траектория любого тела в макромеханике есть континуум, абсолютно непрерывная линия, соответствующая движению материальной точки — пространство нигде не прерывается и не квантуется. Точно таким же континуумом является время, оно непрерывно.

Пределом делимости материи, субъектом, сохраняющим все ее свойства, является атомом. Идея не нова 25 веков назад ее высказали Демокрит и Левкипп (опираясь при этом на идеи Фалеса Милетского и Анаксимена). Они изобрели первую дискретность — отдельные атомы в пустом пространстве. А эти частицы, как принято считать сейчас, являются квантами, отдельными строго определенными порциями энергии, поскольку А. Эйнштейн в 1905 г. Установил идентичность массы и энергии. Атомы состоят из элементарных частиц, которых к настоящему времени известно около 3000, что вызывает у физиков некоторую растерянность, поскольку число элементарных частиц превышает число элементов таблицы Д. И. Менделеева (менее полутора сотен).

В микромире наблюдаемые физиками факты не соответствуют и не совместимы с классическим идеалом — непрерывным описанием в пространстве и времени. В физике микромира существуют пробелы в непрерывном описании любого процесса, в пространственно — временном континууме. Согласно идеям Анаксимена при разрежении (при удалении атомов на большое расстояние друг от друга) должны измениться свойства материи. Но это сложно себе представить, если считать, что материи сама по себе представляет континуум — что от чего должно удаляться? Анаксимен также впервые сформулировал идеи, что вещество (материя) может находиться в одном из четырех состояний (твердом, жидком, газообразным и огненном), и что изменение состояния не предполагает изменения вещества, а лишь инициируется геометрически как бы распространением одного и того же количества на больший объем (разряжение) или при обратном переходе (сжатие). Как не удивительно, но и мы полагаем, что вещество может находиться в одном из четырех состояний: твердом, жидком, газообразном и плазменном.

Поскольку микроэлектроника в качестве основного рабочего инструмента использует потоки заряженных частиц и кванты электромагнитного поля, к которым не применимы подходы классической физики, возникает необходимость изучения некоторых основ квантовой механики. Квантовая механика — это физическая теория, описывающая явления атомного масштаба — движение элементарных частиц и состоящих из них систем. Обычно под квантовой механикой понимают теорию движения микрочастиц со скоростями намного меньшими скорости света (нерелятивистская квантовая механика). Релятивистские процессы рассматривает квантовая теория поля.

Процессы, описываемые квантовой механикой относятся к явлениям, полностью лежащим за пределами непосредственного чувственного восприятия человеческого организма, и абсолютно лишены наглядности, присущей обычной классической физике.

Ситуация в квантовой механике выглядит примерно следующим образом. Наблюдаемые факты (о частицах, свете, различных видах излучения и их взаимодействии) кажутся несовместимыми с классическим идеалом — непрерывным описанием в пространстве и времени. Процессы, субъекты и объекты квантовой механики квантованы и имеют дискретный характер, а их описание носит недетерминированные, жестко и однозначно определенный характер, а подчиняется законам статистической физики, носит вероятностный (стохастический) характер.

Обычно при рассмотрении идей вероятности в связи с квантовой механикой обращают внимание на то, как вероятность содействует пониманию, трактовке квантовых процессов. В этих случаях утверждается, что при описании элементарн6ых квантовых процессов отказалась от определяющей роли представлений о траектории движения квантовых объектов, что теория описывает лишь возможности повеления микрообъектов и, соответственно, элементарные квантовые процессы описываются лишь вероятностным, принципиально неоднозначным образом. Практически не обращается внимания на обратные связи — как воздействует на понимание, трактовку самой вероятности. Однако при таком подходе к анализу вероятности ее новые черты не раскрываются.

Особенности вероятностных представлений в квантовой теории связаны с изменениями в постановке основной задачи исследований: Если в статистической физике исследовались системы, образованные из огромного числа частиц, то в квантовой теории вероятностные методы используются прежде всего для познания свойств и закономерностей индивидуальных, отдельных частиц — микрообъектов.

Переход от непосредственного анализа массовых явлений к исследованиям отдельных, индивидуальных частиц, свидетельствует об исключительной гибкости и плодородности вероятностных методов. Этот переход стал возможен на основе существенных изменений в способах задания (выражения, характеристики) вероятностных представлений. В классической физике свойства и закономерности физических систем выражались непосредственно языке вероятностных распределений. В квантовой физике состояния микрочастиц выражаются посредством особого рода характеристик, прежде всего — волновых функций.

Волновые функции носят абстрактный характер. Иногда считают, что они вообще не имеют непосредственного физического смысла. Исторически волновые функции были введены в квантовую теорию чисто формальным образом и утвердились в физике лишь тогда, когда удалось их связать с вероятностными распределениями: квадрат модуля волновой функции в некотором представлении (т.е. заданной на языке конкретной физической величины) определяет собой вероятность значения соответствующей физической величины. Установление этой связи и позволило наполнить глубоким реальным смыслом весь математический аппарат квантовой механики, что было сделано еще до разработки его основ.

Однако надо признать, что наше понимание мира не совершенно. С точки зрения современных знаний несовершенство классической и квантовой механики заключается в том, что они инвариантны по отношению ко времени. Это означает, что их уравнения обратимы во времени. Это связано с тем, что они рассматривают закрытые системы, находящиеся в состоянии равновесия или стремящиеся к нему и не обменивающиеся с окружающей средой ни веществом, ни энергией, ни информацией. В природе таких систем практически нет. Мир, окружающий нас, в котором мы живем, представляет собой конгломерат открытых диссипативных систем, непрерывно обменивающихся энергией, веществом и информацией и иногда исключительно далеко находящихся от равновесного состояния. Процессы в таких системах являются по большей части необратимыми, эти системы эволюционируют по определенным законам, и в них присутствуют так называемая стрела времени. Это означает, что они не инвариантны относительно времени.

Изучением таких эволюционирующих систем занимается нелинейная динамика. Большинство процессов в эволюционирующих системах необратимо. Самые важные выводы заключаются в том, что начинается там, где заканчиваются классическая механика. Это не означает, что классическая и квантовая механика неверный — они скорее соответствуют идеализациям, выходящих за рамки концептуальных возможностей наблюдения. Траектории, или волновые функции, обладают физическим смыслом только в том случае, если они соответствуют наблюдаемым, а такая возможность исчезает, когда необратимость становится частью физической картины.

В предисловии к изданию 1959 г. Своей книги «Логика научного открытия» Карл Поппер писал: «Существует по крайней мере, одна философская проблема, в которой заинтересовано все мыслящее человечество. Это проблема космологии, проблема понимания мира, включая и нас самих, и нашего знания как части мира».

Недавние успехи физики и химии внесли свой вклад в решение проблемы, столь изящно сформулированной К. Поппером. Как все значительные научные достижения, прогресс физики и химии не лишен элемента неожиданности. Мы находимся в преддверии подъема на новую, более высокую степень познания. Этим подъемом мы в первую очередь обязаны главным образом изучению элементарных частиц и решению космологических проблем. Неожиданно выясняется, что понятие необратимости на промежуточном, макроскопическом, уровне приводит к пересмотру основ физики и химии — к пересмотру классической и квантовой механики. Необратимость привносит неожиданные свойства, которые при правильном понимании дают ключ к переходу существующего (бытия) к возникающему (становлению) /10/.

1.2 Свойства микрои наночастиц

Многие физические законы, справедливые для макрообъектов, для микрои наночастиц нарушаются. Например, несправедливы формулы сложения сопротивлений проводников при их параллельном и последовательном соединении. Вода в нанопорах горных пород не замерзает при температуре -20−30°С, а температура плавления наночастиц золота намного меньше температуры плавления массивных образцов.

В последние годы во многих публикациях приводят эффектные примеры влияния размеров частиц того или иного вещества на его свойства: электрические, магнитные, оптические. Так, цвет рубинового стекла от содержания и размеров коллоидных (микроскопических) частиц золота. Коллоидные растворы золота могут дать целую гамму цвета — от оранжевого (размер частиц менее 10нм) и рубинового (от 10 до 20нм) до синего (около 40нм). В лондонском музее королевского института хранятся коллоидные растворы золота, которые получены еще М. Фарадеем, впервые связавшим вариации их цвета с размером частиц.

Доля поверхностных атомов становится все больше по мере уменьшения размеров частицы, для наночастиц практически все атомы «поверхностные», по этому их химическая активность очень велика.

Корпускулярно волновой дуализм позволяет приписать каждой частице определенную длину волны. В частности это относится к электрону в кристалле, элементарным атомным магнитикам и т. д. Их поведение описывается волновыми характеристиками. Тепловые колебания атомов кристалла являются коллективным процессом: отдельные атомы колеблются не независимо, а участвуют в упругих тепловых колебаниях разной частоты, охватывающих весь кристалл. Этим волнам сопоставляют своеобразную частицу — фотон — квант энергии упругих колебаний, по аналогии с фотоном — квантом энергии электромагнитных колебаний. Размеры макроскопических тел на много порядков больше этих длин волн. Соответствующая же частице длинна волны может «не уместиться» на наночастице.

Общая причина отличий свойств наносистем от свойств макроскопических систем — это сопоставимость их размеров с длиной волн, определяющих эти свойства. Поэтому наночастички железа при комнатной температуре ведут себя не как ферромагнетики, а как парамагнетики.

Наконец еще одна особенность наноструктур, важная для электроники, — вместе с уменьшением размера системы уменьшается время протекания в ней разнообразных процессов, т. е. увеличивается быстродействие.

Рис. 2. Сверхточный регулятор движения для ассемблера

Необычные свойства наноструктур затрудняют их тривиальное техническое использование и одновременно открывают совершенно неожиданные технические перспективы.

Особенно для медицины и биологии является то, что наноразмер — один из основных масштабов живого организма. Это позволяет ставить задачу целенаправленного внедрения наноструктур вы живой организм (в том числе человека), например с целью очистки кровеносных сосудов или локального введения лекарств. Одновременно появляется уже реализуемая сейчас возможность сочетания электронных и микромеханических устройств с «живыми» наноструктурами, например для создания нанороботов или решения задач наноэлектроники /16/.

1.3 Природные и искусственные наночастицы

Фактически человек давно использовал микрои наноструктуры в технике. Это мельчайшие частицы углерода в стали, катализаторы с развитой поверхностью, мелкие частицы в различных эмульсиях или композиционных материалах. Итальянские ученые выяснили, что знаменитая цветная глазурь на средневековой керамике из города Дерута содержит наночастицы металлов (серебра, меди и др.). Наночастицы металлов определили и красоту средневековых витражей.

Рис. 3. Магнитные наночастицы внутри бактерии

Природные наночастицы, в частности, образуют разные функциональные части живых организмов: ДНК, различные белки и пр. На рисунке 3 представлена фотография магнитных наночастиц внутри бактерии, эти частицы помогают ориентироваться ей в магнитном поле Земли. Аналогичные магнитные частицы имеются и в мозгу человека /14/

2. Микроэлектроника

Микроэлектроника — область электроники, занимающаяся созданием электронных функциональных узлов, блоков и устройств в микроминиатюрном интегральном исполнении. Возникновение микроэлектроники в начале 60-х гг. XX в. было вызвано непрерывным усложнением функций электронной аппаратуры, увеличением габаритов и повышением требований к её надёжности.

Применение в отдельных устройствах нескольких тысяч и десятков тысяч самостоятельно изготовленных электронных ламп, транзисторов, конденсаторов, резисторов, трансформаторов и др., сборка их, путём соединения выводов пайкой или сваркой делали аппаратуру громоздкой, трудоёмкой в изготовлении, недостаточно надёжной в работе, требующей значительного потребления электроэнергии и т. д.

Поиски путей устранения этих недостатков привели к появлению новых конструктивно-технологических направлений создания электронной аппаратуры: печатного монтажа, модулей и микромодулей, а затем и интегральных схем (на базе групповых методов изготовления). Используя достижения в области физики твёрдого тела и особенно физики полупроводников, микроэлектроника решает указанные проблемы не путём простого уменьшения габаритов электронных элементов, а созданием конструктивно, технологически и электрически связанных электронных структур — функциональных блоков и узлов. В них согласно принципиальной схеме конструктивно объединено большое число микроминиатюрных элементов и их электрических соединений, изготавливаемых в едином технологическом процессе. Такой процесс, ставший возможным благодаря предложенному в 1959 планарному процессу получения полупроводниковых приборов, предполагает применение исходной общей заготовки (обычно в виде пластины из полупроводникового материала) для большого числа (~ 100—2000) одинаковых электронных функциональных узлов, одновременно проходящих последовательный ряд технологических операций в идентичных условиях. Таким образом, каждый такой узел получают не в результате сборки из дискретных элементов, а в итоге поэтапной групповой интегральной обработки многих одинаковых узлов на одной пластине. В процессе обработки отдельным участкам полупроводникового материала придаются свойства различных элементов и их соединений, в целом образующих изготавливаемый узел. Полученный микроминиатюрный узел, отделённый от пластины и помещенный в корпус, называется интегральной микросхемой, или интегральной схемой. В связи с этим в микроэлектронике изменяется само понятие элемента.

Практически элементом становится интегральной схемой как неделимое изделие, состоящее из 5 элементов и более. Интегральная схема характеризуется уровнем интеграции — числом простейших элементов в ней. В силу специфики — исключительно высокой точности проведения технологических процессов и большого числа операций — для изготовления микроэлектронных изделий требуются разнообразные высококачественные полупроводниковые и другие материалы и прецизионное технологическое оборудование. Базовым полупроводниковым материалом служит монокристаллический кремний.

Технологическое оборудование должно обеспечить изготовление элементов интегральной схемы с точностью их размеров в пределах единиц и долей микрометра. В соответствии с используемыми конструктивно-технологическими и физическими принципами в микроэлектроники может быть выделено несколько взаимно перекрывающихся и дополняющих друг друга направлений:

Интегральная электроника,

Вакуумная микроэлектроника,

Оптоэлектроника

Функциональная электроника.

Наибольшее развитие получила интегральная электроника. С её появлением открылись широкие возможности микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры, начался процесс создания аппаратуры третьего поколения — с применением интегральной схемы (первое поколение — на электровакуумных приборах, второе — на полупроводниковых приборах). Область применения интегральной схемы простирается от вычислительной техники и космических систем до бытовой аппаратуры. Темпы роста производства интегральной схемы исключительно высоки. Мировая промышленность в 1972 выпустила более 1 млрд. ИС. На базе групповых методов изготовления, путём формирования необходимого количества электронных элементов и электрических связей между ними в объёме одного полупроводникового кристалла были впервые созданы (1959—61) полупроводниковые интегральные схемы. В их производстве наиболее распространена планарно-эпитаксиальная технология, заимствованная из производства дискретных полупроводниковых приборов и отличающаяся от него лишь дополнительными операциями по электрической изоляции отдельных элементов на полупроводниковой пластине и соединению всех элементов в кристалле в единый функциональный узел. Для изоляции используются методы создания вокруг элемента области полупроводникового материала с противоположным типом проводимости (при этом образуется изолирующий р-n-переход,) или слоя диэлектрика, например двуокиси кремния. Основные технологические операции планарно-эпитаксиальной технологии: механическая и химическая обработка полупроводниковых пластин; эпитаксиальное наращивание на пластине слоя с необходимыми электрофизическими свойствами (типом проводимости, удельным сопротивлением и т. д.);

Фотолитография; легирование (например, посредством диффузии или ионного внедрения); нанесение металлических плёнок — электродов, соединительных дорожек, контактных площадок.

Из всех перечисленных этапов технологического процесса наиболее ответственным является фотолитография. Она обеспечивает проведение избирательной обработки отдельных участков полупроводниковой пластины, например вытравливание «окон» в окисной плёнке на пластине для проведения диффузии примесей. В этом процессе используется светочувствительный лак — Фоторезист.

Плёнка фоторезиста, нанесённая на полупроводниковую пластину, облучается ультрафиолетовым светом через приложенную плотно к пластине фотомаску — т. н. фотошаблон, который представляет собой стеклянную пластинку с выполненным на ней повторяющимся рисунком, образованным непрозрачными и полупрозрачными участками (чаще всего слоя хрома). После облучения плёнка фоторезиста подвергается селективному травлению, в результате чего на полупроводниковой пластине воспроизводится рисунок фотошаблона. Экспонирование фоторезиста проводится также и бесконтактным способом: проецированием рисунка на пластину. Перспективен метод экспонирования заданного рисунка электронным лучом (электронолитография).

При изготовлении полупроводниковых ИС требуется неоднократное проведение фотолитографического процесса с воспроизведением на пластине совмещающихся между собой различных рисунков. Для этого обычно используется набор из 7—8 фотошаблонов. Проектирование и изготовление фотошаблонов требует особо высокой точности и соблюдения в производственных цехах условий вакуумной гигиены (не более 3—5 пылинок размером около 0,5 мкм на 1 л воздуха): для получения сотен элементов микронных размеров в сотнях идентичных интегральных схем, изготавливаемых одновременно на одной полупроводниковой пластине, фотошаблоны должны обеспечивать воспроизводимость размеров от одного рисунка к другому и их взаимную совмещаемость. Поэтому при проектировании и изготовлении фотошаблонов используется сложное прецизионное оборудование: координатографы с программным управлением от ЭВМ для вычерчивания оригинала рисунка с увеличением в сотни раз; различной конструкции фотоштампы для уменьшения рисунка-оригинала и его мультиплицирования (размножения).

Для формирования структур элементов в исходной полупроводниковой пластине проводится легирование примесями участков, подготовленных на этапе фотолитографии. Основным методом легирования является диффузия, например при помещении пластины кремния на некоторое время в пары примеси при температуре 1100—1200°С. Точность поддержания температуры, постоянство концентрации примеси у поверхности пластины, длительность процесса определяют распределение примеси по толщине пластины и соответственно параметры формируемого элемента. Кроме диффузии, легирование может производиться ионным внедрением (бомбардировкой пластины ионизированными атомами примеси), которое является новым технологическим направлением, дополняющим и частично заменяющим диффузию. Полупроводниковые интегральные схемы имеют высокий уровень интеграции (до 10 000 элементов и более в одном полупроводниковом кристалле).

Совершенствование технологии изготовления активных (диодных и транзисторных) элементов на пластинах полупроводникового материала путём перехода на групповые методы стимулировало развитие техники печатного монтажа и плёночной технологии создания пассивных (резистивных, ёмкостных) микроминиатюрных компонентов, что послужило основой для разработки плёночных интегральных схем. Плёночные интегральной схемы, как правило, являются чисто пассивными, т.к. нанесение монокристаллических полупроводниковых плёнок для формирования активных элементов не обеспечивает необходимого их качества. Основой для плёночной интегральной схемы служит диэлектрическая, например керамическая, подложка. Различают толстоплёночную технологию изготовления интегральной схемы — нанесение слоев проводящих, резистивных и диэлектрических паст толщиной от 1 до 25 мкм и тонкоплёночную технологию — вакуумное напыление плёнок толщиной до 1 мкм через металлические трафареты или вакуумное напыление в сочетании с последующей фотолитографической обработкой. квантовый информационный наночастица электроника

Плёночная интегральной схемы со смонтированными на ней бескорпусными дискретными полупроводниковыми приборами (диодами, транзисторами) и бескорпусными полупроводниковыми интегральными схемами называется гибридной интегральной схемой. Её пассивная часть может быть выполнена многослойной, в виде набора керамических подложек со слоями плёночных элементов. После спекания подложек получается монолит с многослойным расположением электрически соединённых между собой пассивных элементов. Бескорпусные активные элементы монтируются на верхней поверхности монолита.

Кроме полупроводниковых и плёночных интегральных схем, изготавливают т. н. совмещенные интегральные схемы. Активные элементы в них выполняются в объёме полупроводниковой подложки по планарно-эпитаксиальной технологии, а пассивные элементы и электрические соединения наносятся в виде тонких плёнок на поверхность монолитной структуры. По уровню интеграции совмещенные интегральные схемы приближаются к полупроводниковым.

Изготавливают также многокристальные интегральные схемы с высоким уровнем интеграции, в которых несколько кристаллов полупроводниковых интегральных схем объединяются на диэлектрической подложке плёночными соединениями в сложнейшее электронное устройство. Его функциональное назначение может соответствовать отдельному блоку или даже системе, например вычислительной машине настольного типа.

Сочетание плёночной технологии получения пассивных элементов и использование в качестве активных элементов электровакуумных приборов в микроминиатюрном исполнении привело к появлению вакуумных интегральных схем и нового направления — вакуумной микроэлектроники. Вакуумная интегральная схема может быть выполнена как в виде плёночной интегральной схемы с навесными микроминиатюрными электровакуумными приборами, так и в виде устройства, все компоненты которого помещены в вакуум. В отличие от полупроводников интегральная схема вакуумные интегральные схемы имеют повышенную стойкость к воздействию космического излучения; их плотность упаковки достигает 20—30 элементов в 1 см.

Все виды интегральных схем по функциональному признаку делятся на 2 больших класса: цифровые (логические) интегральные схемы и линейные интегральные схемы. Цифровые интегральные схемы предназначены для работы в логических устройствах, в частности они применяются в ЭВМ.

К линейным относятся все остальные интегральные схемы, предназначенные в основном для линейного (в конечном счёте) преобразования электрических сигналов (усиления, модуляции, детектирования и т. д.), хотя они могут включать в себя такие нелинейные элементы, как генераторы синусоидальных колебаний, преобразователи частоты и др.

Дальнейшее развитие микроэлектроники идёт главным образом в двух направлениях: повышение уровня интеграции и плотности упаковки в интегральной схемы, ставших традиционными; изыскание новых физических принципов и явлений для создания электронных устройств со схемотехническим или даже системотехническим функциональным назначением.

Первое направление привело к уровням интеграции, характеризующимся многими тысячами элементов в одном корпусе интегральной схемы с микронными и субмикронными размерами отдельных элементов.

Второе направление может позволить отказаться от дальнейшего повышения уровня интеграции интегральная схема (из-за конструктивной сложности), снизить рассеиваемую мощность, увеличить быстродействие аппаратуры и др.

Это новое направление в целом приобретает название функциональной микроэлектроники — электроники комбинированных сред с использованием таких явлений, как оптические явления в твёрдом теле (оптоэлектроника) и взаимодействие потока электронов с акустическими волнами в твёрдом теле (акустоэлектроника), а также с использованием свойств сверхпроводников, свойств магнетиков и полупроводников в магнитных полупроводниках (магнетоэлектроника) и др.

Итак, микроэлектроника является продолжением развития полупроводниковой электроники, начало которой было положено 7 мая 1895 года, когда полупроводниковые свойства твердого тела были использованы А. С. Поповым для регистрации электромагнитных волн.

Дальнейшее развитие полупроводниковой электроники связанно с разработкой в 1948 году точечного транзистора (американские ученые Шокли, Бардин, Браттейн), в 1950 году — плоскостного биполярного транзистора, а в 1952 году полевого (униполярного) транзистора. Наряду с транзисторами были разработаны и стали широко использоваться другие различные виды полупроводниковых приборов: диоды различных классов и типов, варисторы, варикапы, тиристоры, оптоэлектронные приборы (светоизлучающие диоды, фотодиоды, фототранзисторы, оптроны, светодиодные и фотодиодные матрицы).

Создание транзистора явилось мощным стимулом для развития исследований в области физики полупроводников и технологий полупроводниковых приборов. Для практической реализации развивающейся полупроводниковой электроники потребовались сверхчистые полупроводниковые и другие материалы и специальное технологическое и измерительное оборудование. Именно на этой базе стала развиваться микроэлектроника.

Следует отметить, что основные принципы микроэлектроники — групповой метод и планарная технология — были освоены при изготовлении транзисторов в конце 50 годов.

Первые разработки интегральных схем (ИС) относятся к 1958;1960г.г. В 1961;1963 гг. ряд американских фирм начали выпускать простейшие ИС. В то же время были разработаны пленочные ИС. Однако некоторые неудачи с разработками стабильных по электрическим характеристикам пленочных активных элементов привели к преимущественной разработке гибридных ИС. Отечественные ИС появились в 1962;1963 гг. Первые отечественные ИС были разработаны в ЦКБ Воронежского завода полупроводниковых приборов (схемы диодно-транзисторной логики по технологии с окисной изоляцией карманов). По технологии изготовления эти схемы уступали 2 года западным разработкам.

В историческом плане можно отметить 5 этапов развития микроэлектроники.

Первый этап, относящийся к первой половине 60-х годов, характеризуется степенью интеграции ИС до 100 элементов / кристалл и минимальным размером элементов порядка 10 мкм.

Второй этап, относящийся ко второй половине 60-х годов и первой половине 70-х годов, характеризуется степенью интеграции ИС от 100 до 1000 элементов/кристалл и минимальным размером элементов до 2 мкм.

Третий этап, начавшийся во второй половине 70-х годов, характеризуется степенью интеграции более 1000 элементов/кристалл и минимальным размером элементов до 1 мкм.

Четвертый этап, характеризуется разработкой сверхбольших ИС со степенью интеграции более 10 000 элементов/кристалл и размерами элементов 0,1−0,2 мкм.

Пятый, современный, этап характеризуется широким использованием микропроцессоров и микро-ЭВМ, разработанных на базе больших и сверхбольших ИС/9/

3. Наноэлектроника

Наноэлектроника — область электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нм.

Основные задачи наноэлектроники

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

· разработка физических основ технологических процессов;

· разработка самих приборов и технологий их изготовления;

· разработка интегральных схем с нанометровыми технологическими размерами и изделий электроники на основе наноэлектронной элементной базы.

Наноэлектроника является новой областью науки и техники, формирующейся сегодня на основе последних достижений физики твердого тела, квантовой электроники, физической химии и технологии полупроводниковой электроники. Ее содержание определяется необходимостью установления фундаментальных закономерностей, определяющих физико-химические особенности формирования наноразмерных структур (структур с размером от единиц до десятков нанометров, 1 нм = 10^-9 м), их электронные и оптические свойства. Исследования в области наноэлектроники важны для разработки новых принципов, а вместе с ними и нового поколения сверхминиатюрных супербыстродействующих систем обработки информации.

Понятие «информационные системы» включает все устройства, обеспечивающие получение, обработку и передачу информации. Это различные датчики, преобразующие внешние воздействия (звук, изображение в виде светового поля различной локальной интенсивности, давление, температура, химический состав среды и др.) в электрические сигналы, это электронные системы преобразования и обработки этих сигналов на основе компьютерной техники и, наконец, это средства радиосвязи и телекоммуникаций. Информация в этих системах дается либо в виде непрерывного электрического сигнала — аналоговая форма кодирования информации, либо в виде последовательности электрических импульсов — цифровая форма кодирования. При аналоговом кодировании необходимая информация представляется соответствующей амплитудой или частотой колебаний непрерывного электрического сигнала. В цифровой форме информация выражается в виде двоичного кода, задаваемого электрическим импульсом, для которого логическому состоянию «0» соответствует отсутствие электрического напряжения (или тока), а состоянию «1» — его наличие. Цифровые коды благодаря хорошей защищенности от ошибок и помех, высоким скоростям обработки в вычислительных системах и высокой плотности передачи по каналам связи получили преимущественное распространение в современных информационных системах. Их основным элементом является электронный прибор с двумя устойчивыми электрическими состояниями, соответствующими логическому 0 и 1. Типичные конструкции таких приборов и их эволюция по мере развития электроники показаны на рис. 4. Простейшим из них является механический ключ, который, размыкая и замыкая электрическую цепь, реализует два названных логических состояния.

Рис. 4. Элементы информационных систем Первым электронным переключающим прибором был вакуумный диод, запатентованный в 1904 году англичанином Д. А. Флемингом. С тех пор развитие электроники отмечено изобретением и практическим освоением вакуумного триода (1906 год, Л. Де Форест и Р. Либен) и полупроводникового транзистора (1947 год, У. Браттейн, Дж. Бардин, У. Шокли), а затем интегральных микросхем на кремнии (1958;1959 годы), положившим начало новому направлению в электронике — микроэлектронике. Главной тенденцией этого развития является уменьшение размеров приборных структур. В современных интегральных микросхемах они составляют единицы и десятые доли микрона (1 мкм = 10^-6 м).

По мере приближения размеров твердотельных структур к нанометровой области (1 нм = 0,001 мкм = 10^-9 м), а это образования из единиц и десятков атомов, все больше проявляются квантовые свойства электрона. В его поведении преобладающими становятся волновые закономерности, характерные для квантовых частиц. С одной стороны, это приводит к нарушению работоспособности классических транзисторов, использующих закономерности поведения электрона как классической частицы, а с другой — открывает перспективы создания новых уникальных переключающих, запоминающих и усиливающих элементов для информационных систем.

Последние и являются основным объектом исследований и разработок новой области электроники — наноэлектроники, зародившейся в 80-х годах нашего века. Прежде чем перейти к современным достижениям наноэлектроники, кратко рассмотрим квантовые эффекты, лежащие в основе информационного функционирования наноразмерных элементов. Поскольку для кодирования информации мы должны иметь возможность управлять переносом электронов в таком элементе, выделим лишь те квантовые эффекты, которые влияют на этот процесс.

Квантовые основы наноэлектроники:

С позиций квантовой механики электрон может быть представлен волной, описываемой соответствующей волновой функцией. Распространение этой волны в наноразмерных твердотельных структурах контролируется эффектами, связанными с квантовым ограничением, интерференцией и возможностью туннелирования через потенциальные барьеры.

Квантовое ограничение:

Волна, соответствующая свободному электрону в твердом теле, может беспрепятственно распространяться в любом направлении. Ситуация кардинально меняется, когда электрон попадает в твердотельную структуру, размер которой L, по крайней мере в одном направлении, ограничен и по своей величине сравним с длиной электронной волны. Классическим аналогом такой структуры является струна с жестко закрепленными концами. Колебания струны могут происходить только в режиме стоячих волн с длиной волны, n = 1, 2, 3,…

Аналогичные закономерности поведения характерны и для свободного электрона, находящегося в твердотельной структуре ограниченного размера или области твердого тела, ограниченной непроницаемыми потенциальными барьерами. На рис. 2 такая ситуация проиллюстрирована на примере квантового шнура, у которого ограничены размеры сечения a и b. В этих направлениях возможно распространение только волн с длиной, кратной геометрическим размерам структуры. Разрешенные значения волнового вектора для одного направления задаются соотношением (n = 1, 2, 3,…), где L в соответствии с рис. 5 может принимать значения, равные a или b. Для соответствующих им электронов это означает, что они могут иметь только определенные фиксированные значения энергии, то есть имеет место дополнительное квантование энергетических уровней. Это явление получило название квантового ограничения. Вдоль же шнура могут двигаться электроны с любой энергией.

Рис. 5. Возможности для движения электронов в квантовоограниченной наноразмерной структуре

Запирание электрона с эффективной массой m_*, по крайней мере в одном из направлений, в соответствии с принципом неопределенности приводит к увеличению его импульса на величину. Соответственно увеличивается и кинетическая энергия электрона на величину

Таким образом, квантовое ограничение сопровождается как увеличением минимальной энергии запертого электрона, так и дополнительным квантованием энергетических уровней, соответствующих его возбужденному состоянию. Это приводит к тому, что электронные свойства наноразмерных структур отличаются от известных объемных свойств материала, из которого они сделаны.

Интерференционные эффекты:

Взаимодействие электронных волн в наноразмерных структурах как между собой, так и с неоднородностями в них может сопровождаться интерференцией, аналогичной той, которая наблюдается для световых волн. Отличительная особенность такой интерференции состоит в том, что благодаря наличию у электронов заряда имеется возможность управлять ими с помощью локального электростатического или электромагнитного поля и таким образом влиять на распространение электронных волн.

Туннелирование:

Уникальным свойством квантовых частиц, в том числе и электронов, является их способность проникать через преграду даже в случаях, когда их энергия ниже потенциального барьера, соответствующего данной преграде. Это было названо туннелированием. Схематически оно представлено на рис. 6. Будь электрон классической частицей, обладающей энергией E, он, встретив на своем пути преграду, требующую для преодоления большей энергии U, должен был бы отразиться от этой преграды. Однако как волна он хотя и с потерей энергии, но проходит через эту преграду. Соответствующая волновая функция, а через нее и вероятность туннелирования рассчитываются из уравнения Шрёдингера

Эта вероятность тем выше, чем геометрически тоньше барьер и меньше разница между энергией падающего электрона и высотой барьера.

Рис. 6. Туннелирование электрона с энергией E через потенциальный барьер высотой U, U > E

Квантовое ограничение, проявляясь в наноразмерных структурах, накладывает специфический отпечаток и на туннелирование. Так, квантование энергетических состояний электронов в очень тонких, периодически расположенных потенциальных ямах приводит к тому, что туннелирование через них приобретает резонансный характер, то есть туннельно просочиться через такую структуру могут лишь электроны с определенной энергией.

Другим специфическим проявлением квантового ограничения является одноэлектронное туннелирование в условиях кулоновской блокады (рис. 4). Чтобы объяснить этот термин, рассмотрим иллюстрируемый рис. 4 пример прохождения электроном структуры металл-диэлектрик-металл. В качестве наглядной иллюстрации параллельно проводится аналогия с каплей, отрывающейся от края трубки. Первоначально граница раздела между металлом и диэлектриком электрически нейтральна. При приложении к металлическим областям потенциала на этой границе начинает накапливаться заряд. Это продолжается до тех пор, пока его величина не окажется достаточной для отрыва и туннелирования через диэлектрик одного электрона. После акта туннелирования система возвращается в первоначальное состояние. При сохранении внешнего приложенного напряжения все повторяется вновь. Таким образом, перенос заряда в такой структуре осуществляется порциями, равными заряду одного электрона. Процесс же накопления заряда и отрыва электрона от границы металла с диэлектриком определяется балансом сил кулоновского взаимодействия этого электрона с другими подвижными и неподвижными зарядами в металле.

Рассмотренные квантовые явления уже используются в разработанных к настоящему времени наноэлектронных элементах для информационных систем. Однако следует подчеркнуть, что ими не исчерпываются все возможности приборного применения квантового поведения электрона. Активные поисковые исследования в этом направлении продолжаются и сегодня.

Рис. 6. Одноэлектронное туннелирование в условиях кулоновской блокады

Наноэлектронные элементы информационных систем

В транзисторах на квантовых эффектах волновая природа электронов и соответствующие явления становятся основополагающими в их работе. Это достигается в полупроводниковых структурах с размерами, уменьшенными до 10 нм и ниже. Одними из первых появились элементы на резонансном туннелировании. Явление резонансного туннелирования было впервые описано в 1958 году японским исследователем Л. Исаки и детально исследовалось им до 1974 года. Однако всестороннее теоретическое обоснование и экспериментальные транзисторы на резонансном туннелировании появились лишь в начале 90-х годов. Транзисторы на резонансном туннелировании представляют собой двухбарьерный диод на квантовых ямах, у которого потенциал ям и соответствующие резонансные условия контролируются третьим электродом. Эти транзисторы имеют частоты переключения порядка 10¹² Гц, что в 100−1000 раз выше, чем у самых лучших кремниевых транзисторов из современных интегральных микросхем. Есть предложения по созданию на таких транзисторах ячеек статической памяти и других элементов для вычислительных систем.

В 1986 году советскими учеными К. К. Лихаревым и Д. В. Авериным, изучавшими одноэлектронное туннелирование, был предложен, а позже и опробован одноэлектронный транзистор на эффекте кулоновской блокады. В его конструкции, состоящей из двух последовательно включенных туннельных переходов (рис. 7), туннелирование индивидуальных электронов контролируется кулоновской блокадой, управляемой потенциалом, приложенным к активной области транзистора, расположенной в его середине между двумя прослойками тонкого диэлектрика. Количество электронов в этой области прибора должно быть не более 10, а желательно и меньше. Это может быть достигнуто в квантовых структурах с размером порядка 10 нм. В цифровых интегральных схемах на одноэлектронных транзисторах один бит информации, то есть два возможных состояния 0 и 1, может быть представлен как присутствие или отсутствие индивидуального электрона. Тогда однокристальная схема памяти емкостью 10¹² бит, что в 1000 раз больше, чем у современных сверхбольших интегральных схем, разместится на кристалле площадью всего 6,45 см². Над практической реализацией этих перспектив сегодня активно работают специалисты ведущих американских, японских и европейских электронных фирм.

Квантовый интерференционный транзистор, предложенный в 1986 году Ф. Солсом и др., использует эффект фазовой интерференции электронов в вакууме. Прибор состоит из полевого эмиттера, коллектора и сегментированных конденсаторов между ними. Конденсаторы контролируют траектории и фазовую интерференцию электронов в вакууме за счет электростатического потенциала на них. Рабочие частоты этого прибора оцениваются величинами 10¹¹-10¹² Гц.

В 1993 году японскими учеными (Ю. Вада и др.) было разработано новое семейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. Базовая ячейка (рис. 7) состоит из атомного шнура, переключающего атома (на рисунке он показан красным цветом) и переключающего электрода. Общий размер такой структуры составляет менее 10 нм, а рабочие частоты оцениваются величинами порядка 10¹² Гц. Принцип работы атомного реле состоит в следующем. Переключающий атом смещается из атомного шнура электрическим полем, приложенным к переключающему электроду. Реле переходит в выключенное состояние.

Теоретически показано, что зазор в атомном шнуре величиной 0,4 нм является достаточным, чтобы прервать продвижение по нему электронов. На предложенной основе разработаны логические элементы НЕ-И и НЕ-ИЛИ, ячейка динамической памяти. Предполагается, что они позволят создать суперкомпьютер c оперативной памятью 10⁹ байт на площади 200 мкм². Для создания атомных реле требуется уникальный сканирующий туннельный микроскоп, обеспечивающий прецизионную манипуляцию атомами. Работы в этом направлении идут успешно.

Разработанные в последние годы наноэлектронные элементы по своей миниатюрности, быстродействию и потребляемой мощности составляют серьезную конкуренцию традиционным полупроводниковым транзисторам и интегральным микросхемам на их основе как главным элементам информационных систем. Уже сегодня техника вплотную приблизилась к теоретической возможности запоминать и передавать 1 бит информации (0 и 1) с помощью одного электрона, локализация которого в пространстве может быть задана одним атомом. Ожидает практического разрешения и идея аналогичных однофотонных элементов. Широкое применение одноэлектронных и однофотонных элементов для создания информационных систем пока сдерживается недостаточной их изученностью, а главное, необходимостью обладать технологией — нанотехнологией, позволяющей конструировать требуемые структуры из отдельных атомов. Такие возможности существуют только в исследовательских лабораториях. Однако современные темпы развития электроники позволяют уверенно прогнозировать промышленное освоение нанотехнологии, а вместе с ней и наноэлектроники уже в начале XXI века/19//32/.

4. Наноэлектроника в России В России работы по разработке нанотехнологий начаты еще 50 лет назад, но слабо финансируются и ведутся только в рамках отраслевых программ. К настоящему времени назрела необходимость формирования программы общефедерального масштаба с учетом признания важной роли нанотехнологий на самом высоком государственном уровне.

Широкомасштабное и скоординированное развертывание на базе существующего задела работ в области нанотехнологий позволит России восстановить и поддерживать паритет с ведущими государствами в науке и технике, ресурсои энергосбережении, в создании экологически адаптированных производств, в здравоохранении и производстве продуктов питания, уровне жизни населения, а также обеспечит необходимый уровень обороноспособности и безопасности государства.

Наноэлектроника может стать мощным инструментом интеграции технологического комплекса России в международный рынок высоких технологий, надежного обеспечения конкурентоспособности российской продукции.