Исследователи из IBM Research создают самую миниатюрную в мире трехмерную карту; делают процесс создания объектов наномасштаба менее дорогостоящим и более простым; революционный метод трехмерной микроскопии улучшает процесс разработки структур и устройств наномасштаба.

   Ученые корпорации IBM создали трехмерную карту Земли, такую миниатюрную, что 1000 этих карт может поместиться в крупинке соли*. Ученым удалось достичь этого с помощью новой революционной методики, использующей миниатюрный кремниевый щуп с острым наконечником - иглой, который в 100000 раз меньше заточенного карандаша, для создания шаблонов изображений и структур масштаба 15-ти нанометров с меньшими затратами и сложностями. Этот метод формирования изображений открывает новые возможности для разработки объектов наномасштаба в такой области как перспективные технологии производства микросхем и электронной аппаратуры, а также в сферах медицины, бионаук и оптоэлектроники.
   Как сообщается в научных журналах Science и Advanced Materials, с целью демонстрации уникальных возможностей нового метода команда исследователей создала несколько трехмерных и двухмерных изображений, использовав для каждого из них разные вещества:
•    25-нанометровая трехмерная копия, которая изображает в масштабе 1:5 млрд.** знаменитую гору Маттерхорн в Альпах высотой 4478 метров (14692 фута), была создана в молекулярном стекле.
•    Полная трехмерная карта мира размером всего 22 на 11 микрон была «нарисована» на полимере. При таких размерах 1000 подобных карт мира могут поместиться в одной крупинке соли. На этой миниатюрной карте высотная отметка в тысячу метров соответствуют приблизительно восьми нанометрам. Изображение сформировано из 500000 пикселей; площадь каждого пикселя составляет 20 квадратных нанометров. Карта была создана всего за 2 минуты и 23 секунды.    
•    Двухмерное наноразмерное изображение логотипа IBM было «протравлено» в кристалле кремния на глубину 400 нанометров. Этот пример демонстрирует жизнеспособность метода для типовых нанопроизводственных процессов.
•    Двухмерное изображение с высоким разрешением сплошной линии толщиной 15 нанометров.

Наука следует за техникой
   Основной компонент новой методики, разработанной группой ученых из IBM – миниатюрный, чрезвычайно тонкий кремниевый наконечник (игла) щупа длиной 500 нанометров и толщиной кончика всего несколько нанометров.  
   «Успехи в развитии нанотехнологий тесно связаны с наличием высококачественных методов и инструментов для создания шаблонов изображений и объектов наномасштаба на поверхностях вещества, — поясняет физик д-р Армин Кнолл из исследовательского центра IBM в Цюрихе. — Обладающая широкой функциональностью и уникальной способностью построения трехмерных изображений, эта методология литографического формирования рисунка, основанная на сканирующей наноигле, является мощным инструментом для создания сверхмалых структур».
   Игла щупа, схожая с теми, которые используются в атомно-силовых микроскопах, прикрепляется к гибкому кронштейну, который в управляемом режиме сканирует поверхность вещества подложки с точностью одного нанометра – одной миллионной миллиметра. При нагревании или приложении внешней силы наноразмерная игла может «снимать» (удалять) слои вещества подложки по предварительно заданным шаблонам, работая как «нанофрезерный» станок сверхвысокой точности.
   Подобно фрезерованию, можно снимать слои материала на определенную глубину, создавая сложные трехмерные структуры с нанометровой точностью путем модуляции приложенной силы или переадресации отдельных точек. Например, для создания трехмерной копии горы Маттерхорн было успешно удалено с подложки из молекулярного стекла 120 отдельных слоев вещества.

Сравнение с методом электроннолучевой литографии
   Новая методика IBM обеспечивает разрешение до 15 нанометров, обладая, к тому же, потенциалом для достижения еще лучшей разрешающей способности. Используя существующие методы, такие как электроннолучевая литография***, становится все более проблематичным производить шаблоны изображений с разрешениями при размерах рабочего поля ниже 30 микрон – на этом уровне начинают действовать технические ограничения метода.
   Более того, по сравнению с дорогостоящим инструментарием  электроннолучевой литографии, который требует нескольких этапов обработки и оборудования, способного с легкостью загромоздить всю лабораторию, малогабаритный инструмент, созданный учеными IBM (помещается на обычном столе) обещает широкие возможности с точки зрения улучшения разрешающей способности. Причем при затратах, составляющих от одной пятой до одной десятой стоимости метода электроннолучевой литографии, и при гораздо меньшей сложности.  
   Еще одно преимущество методики, построенной на сканирующей «наноигле», состоит в способности определять и оценивать форму шаблона с помощью той же самой иглы, которая используется для формирования объемных изображений обрабатываемых структур – что и продемонстрировали ученые IBM в своих экспериментах.    

Революционный прорыв в области материалов подложки
   В двух научных публикациях ученые описывают свою новаторскую методологию формирования трехмерных наноизображений для двух разных, но чрезвычайно перспективных типов материала подложки: полимера, названного «polyphthalaldehyde» (полифталальдегид), и молекулярного стекла, подобного материалу подложки, который используется в традиционных процессах нанопроизводства (т.н. резисту). Выбор этих двух материалов стал ключевым фактором выдающейся эффективности и надежности нового метода.
   В своих поисках подходящих и эффективных материалов подложки, ученые обратились к органическим материалам, которые могут быть применены в качестве резистов. В этих исследованиях они придерживались той же концепции, которая используется в современных полупроводниковых технологиях, что важно для будущей интеграции.
   «В поиске материала подложки мы следовали принципу «все или ничего», — поясняет Джим Хедрик, ученый из исследовательского центра IBM в Альмадене. — Нам нужно было найти и синтезировать вещества, которые образуют механически прочное стекло, и которые, к тому же, легко термически разлагаются на инертные летучие составляющие».
   Молекулярное стекло, которое было использовано в эксперименте с изображением горы Маттерхорн, состоит из молекул, напоминающих снежинки, с размерами около одного нанометра и почти сферической формой. При температуре сканирующей иглы выше 330°C (626°F), водородные связи, удерживающие молекулы вместе, разрываются, молекулярные частички становятся летучими и удаляются с поверхности вещества.    Отличительная особенность материала состоит в том, что молекулярное стекло с нанесенным шаблоном изображения может быть перенесено посредством стандартного метода гравирования травлением на, например, кремний, традиционный материал в полупроводниковой промышленности. В конце 1990-х годов ученый Мицуру Уэда из Университета Ямагата  в Японии впервые предложил использовать молекулярное стекло в качестве фоторезиста высокого разрешения  (светочувствительного материала, затвердевающего под воздействием светового потока). Впоследствии молекулярное стекло разработал Крис Обер из Корнеллского университета.
   Наноразмерная трехмерная карта мира была создана в полимере под названием полифталальдегид, который первоначально был разработан «почетным сотрудником IBM»  Хироши Ито  в 1980-е годы. Под воздействием повышенных температур компоненты это цепеобразной органической молекулы «освобождаются» от связей, удерживающих их в составе молекулы, и становятся летучими. Этот самоусиливающийся процесс вызывает распад молекулы и, затем, ускоряет процесс формирования изображения, делая это с быстротой, которая превышает даже механические перемещения сканирующей иглы.

*Приняв средний размер крупинки соли за 0,3 мм, вдоль ее диаметра можно разместить 1000 карт.
**Один нанометр по высоте изображения соответствует 57 метрам реальной высоты горы.
***Данный метод основан на избирательном облучении поверхности вещества пучком электронов, в результате чего формируется экспонированный слой, называемый резистом. Резист служит в качестве шаблона для переноса изображений в различные материалы, например, в кремний, посредством гравирования травлением. Этот метод является одним из наиболее универсальных и распространенных сегодня технологий, однако он очень сложен и дорог.

Информационные технологии. Апрель 2010 от 05.04.2010

Вы можете оставить собственный комментарий к данной статье:

Имя (*)
Адрес электронной почты
Комментарий к статье (*)
Внимание! Для защиты от автоматического заполнения решите пример!