Цивилизация
Развитие микроэлектроники, которая постепенно превращается в наноэлектронику, требует постоянного совершенствования методов создания электрических схем. Последние несколько десятилетий с этими задачами прекрасно справлялась оптическая литография – технология «травления» электросхем с помощью света, меняющего в нужных местах химические свойства слоя так называемого фоторезиста (см. справку).
Однако теперь, когда на поверхность фоторезистной маски для оптического травления потребовалось наносить объекты нанометрового масштаба, шаблонной литографии все труднее оставаться коммерчески приемлемой технологией. И то, что стандартный набор аппаратуры для фотолитографии сегодня стоит минимум $20 миллионов, – только половина беды.
В наши дни в исходный шаблон для нанесения фоторезистной маски часто требуется вносить небольшие изменения. Усложнение и удорожание технологий наноразмерной фотолитографии неизбежно приводит к удорожанию такого процесса и потере времени. Вопрос экономии времени и денег становится все острее, а потому ученые уже давно бьются над развитием бесшаблонных технологий наноразмерной фотолитографии.
Одна из подобных технологий, использующая недавно открытое явление плазмонной линзы, описана в статье, принятой к печати в Nature Nanotechnology.
Было бы заблуждением считать, что подобные технологии отсутствовали до сегодняшнего дня. Например, существует метод бесшаблонного травления с помощью фокусированного пучка электронов или ионов. Однако его производительность очень невелика, а попытки усовершенствовать методику, создав целый массив таких пучков, не увенчались успехом – мешают электрическое отталкивание пучков друг от друга; кроме того, контролировать толщину и позицию пучков тяжело из-за термического дрейфа разных параметров устройств.
Другой альтернативой фотолитографии является сканирующая зондовая литография. Здесь нужный орнамент на кремниевую пластину наносится с помощью игл кантилеверов, обычно применяемых в атомно-силовой микроскопии. Теоретически большой массив подобных игл нанометровой толщины должен быстро справляться с разметкой даже больших и сложных орнаментов. Однако применение метода требует поддержания определенного расстояния между кончиком иглы и поверхностью, которое может варьироваться в пределах от 10 до 100 нанометров. Поддерживается это расстояние с помощью устройств обратной связи, фиксирующих довольно слабое на таких расстояниях межатомное отталкивание и притяжение, но они не могут работать достаточно быстро, чтобы обеспечить надежную разметку пластины, проносящейся мимо устройства со скоростью 5–10 м/c.
Плазмонная же линза позволяет осуществить разметку фоторезиста пучком света с диаметром сфокусированного пятна в несколько десятков нанометров.
Работа плазмонной линзы основана на возбуждении колебаний поверхностных плазмонов (см. справку) в металлах и полупроводниках под действием электромагнитного излучения. Как правило, диапазон длин волн, способных вызвать возбуждение плазмонов, находится в ультрафиолетовом диапазоне. В результате облучения в материале возбуждаются плазмоны той же и даже большей частоты, чем частота возбуждающего излучения. Это обстоятельство и позволяет инженерам обойти волновые свойства света, ограничивающие размер световых пучков.
Плазмонная линза представляет собой набор щелей-канавок в материале, на которых происходит рассеяние энергии плазмонов и вторичное электромагнитное излучение. Сян Чжан и его коллеги из Калифорнийского университета в Беркли в качестве линзы использовали отверстие диаметром 100 нм в алюминиевой фольге толщиной 80 нм, нанесенной на прозрачную подложку. Через каждые 250 нм по радиусу отверстие окружают тонкие щели в фольге размером 50 нм. Переизлучение энергии плазмонов на такой конструкции позволяет сфокусировать ультрафиолетовое излучение в пятнышко диаметром всего 80 нанометров.
Проблема использования плазмонной линзы состоит в её очень коротком фокусе – работает такая фокусировка только в так называемой ближней зоне электромагнитного источника.
Сфокусированное пятнышко света уже на расстоянии в 100 нм от поверхности линзы расползается в большое пятно, а оптимальное расстояние фокусировки составляет всего 20 нм. Для того чтобы использовать такую линзу, ученым необходимо было разработать механизм, поддерживающий линзу на высоте в 20 нм над поверхностью кремниевой пластины, предназначенной для разметки.
Собственно, решению этой задачи и посвящена оригинальная публикация. Калифорнийская команда в своей работе использовала наработки индустрии жестких дисков. Линзу Сян Чжан и его коллеги водрузили на плавающую головку, скользящую вдоль поверхности быстро вращающейся кремниевой пластины. Быстрое вращение пластины приводит к формированию потока воздуха, набегающего на головку.
Конструкция головки, разработанной учеными, позволяла развить при движении пластины подъемную силу, необходимую для поддержания линзы на необходимой высоте.
Лётчики отлично знают, что непосредственно над взлётно-посадочной полосой характер циркуляции воздуха вокруг крыла меняется. Говорят, сидя в пилотском кресле, даже можно почувствовать, когда самолёт садится на такую «воздушную подушку», а такое транспортное средство, как экраноплан, вовсю использует эту «подушку», чтобы перевозить неподъёмные для обычных самолётов грузы.
Нечто подобное использовали и калифорнийские специалисты по нанотехнологиям. Меняя жёсткость подвеса головки, можно настроить её высоту над поверхностью, а дальше подъёмная сила — экранный эффект — самостоятельно будет поддерживать эту высоту, никакой обратной связи не надо.
В итоге внешне разметка полупроводниковой пластины для дальнейшего травления мало отличается от процесса записи компакт-диска. Отличие в том, что одна плавающая головка может нести на себе до нескольких тысяч плазмонных линз. В таком исполнении разметка стандартной кремниевой пластины размером в несколько сантиметров будет занимать не более двух минут.
Чтобы продемонстрировать возможности метода, инженеры написали своей плавающей головкой несколько миллионов раз на поверхности пластины аббревиатуру Центра масштабных и интегрированных нанопроизводств — SINAM (Center for Scalable and Integrated NAno Manufacturing), американской межуниверситетской организации, курирующей разработки в смежных областях нанотехнологий.