Нанотехнология и наночипы. Часть 2

В Институте нанотехнологий Международного фонда конверсии созданы разнообразные типы нанотехнологических установок ("Луч-1", "Луч-2") [1]. Характерное отличие установок "Луч-1" - это наличие встроенных систем хранения, формирования газовых потоков и виброзащиты. Установка "Луч-2" предназначена для использования в стандартных лабораторных шкафах. Установки использовались для экспериментальных исследований, а также для обучения специалистов и студентов в подразделениях Института и в Центре коллективного пользования.

Конструкция установок "Луч-1" (рис. 1) и "Луч-2" и их технические характеристики обеспечивают:

• фиксацию, перемещение и активацию атомов и молекул, полимеризацию, осаждение, травление в технологической камере и гибких микрореакторах;
• эффективную защиту от внешних сейсмических и акустических воздействий;
• точность управления позиционированием - 0,1A;
• пошаговое перемещение образца по осям X, Y - 10 мм, высокоскоростное и обзорное сканирование в диапазоне до 3030 мкм и детальные исследования в области менее 11 нм.

Рисунок 1. Нанотехнологическая установка "Луч-1"

На установках успешно работали специалисты различных организаций Академии наук, отраслевых научно-исследовательских институтов, аспиранты университетов и студенты.

Работы проводились в различных направлениях - от исследования нанототехнологических процессов в газообразных и жидких технологических средах до исследования поверхности в контролируемой технологической среде.

Некоторые из последних результатов, полученных при использовании методов локального осаждения на алмазоподобных углеродных пл╦нках, приведены на рис. 2.

Рисунок 2. Экспериментальные результаты формирования: а) одного нанообъекта размером 8 нм; б) двух нанообъектов; в) тр╦х нанообъектов; г) четыр╦х нанообъектов; д) нанодорожек

Изображения на рисунке представлены в псевдоцвете, позволяющем получить более полную информацию о свойствах сформированных наноообъектов. При этом высота объектов отображается пропорционально привед╦нной цветовой шкале.

На углеродных алмазоподобных пл╦нках, созданных Кирпиленко Г.Г., Шелепиным С.Ю. и Иткиным В.Н. (НИИВМ), были получены локально осажд╦нные проводящие нанообъекты размером до 8 нм.

Коллектив разработчиков, работающий в области нанотехнологий ранее совместно с Фроловым В.Д. (Центр Естественнонаучных Исследований ИОФ РАН), получил на разработанных нанотехнологических установках серии экспериментальных результатов на алмазоподобных углеродных пл╦нках [2]. Данные результаты можно использовать для проведения разработок во многих прикладных направлениях.

Наноразмерные структуры для запоминающих устройств сверхбольшой информационной емкости

Возможность формирования объектов нанометровых размеров на поверхности позволит в сотни и тысячи раз увеличить плотность записи информации, по сравнению с оптическими запоминающими устройствами на компакт-дисках (CD). Развитие направления привед╦т к созданию "наноCD". Экспериментальные результаты по записи и считыванию информации приведены на рис. 3.

Рисунок 3. Формирование нанообъектов для записи и считывания информации

Создание проводников

Проводники нанометровой ширины необходимы для создания синхродорожек, нанотранзисторов, биочипов, функциональных генераторов субмиллиметрового диапазона, туннельных лазеров, сверхширокополосных фотопри╦мников и элементов связи тр╦хмерных функциональных схем.

Формирование нанопроводников на изолирующих подложках позволит осуществлять межсоединения в микросхемах с субмикронными размерами элементов, может использоваться при создании генераторов субмиллиметрового диапазона, нанометровых транзисторов и оптоэлектронных элементов.

На рис. 4 приведены экспериментальные результаты по формированию нанопроводников.

Рисунок 4. Сформированные нанопроводники

Создание элементов полевого транзистора

Транзисторы, реализуемые методами нанотехнологии, вследствие малых размеров характеризуются сверхвысоким быстродействием (вплоть до терагерцового диапазона), высоким входным сопротивлением и уменьшенной ╦мкостью, что необходимо для построения входных каскадов высокочувствительных и малошумящих электронных схем.

На основе таких транзисторов возможно создание цифровых и аналоговых схем со сверхвысокой плотностью интеграции и уменьшенным энергопотреблением.

На рис. 5 приведены экспериментальные результаты формирования проводников нанометрового размера для полевого транзистора.

Рисунок 5. Формирование проводников для полевого нанотранзистора

Рисование структур

На рис. 6 приведена эмблема "Деловая Россия", выполненная методами нанотехнологии для Всероссийской Государственной телерадиокомпании Российского информационного агентства Новости.

Рисунок 6. Формирование надписей

Создание наносенсоров (чипов для установки наносенсоров)

Между нанопроводниками, соедин╦нными с макроэлектродами, можно расположить биологические объекты, используемые в качестве сенсоров характеристик окружающей среды. На рис. 7 показаны созданные на кристалле подводящие электроды к центральной области, отличающейся электрофизическими характеристиками.

Рисунок 7. Электроды для наносенсоров

Принципиально новым результатом, полученным в Институте нанотехнологий Международного фонда конверсии, является создание тр╦хмерных конструкций. Проведение процессов осаждения в форсированном режиме позволило создать элементы тр╦хмерных конструкций, топология которых определяется программой перемещения зонда в пространстве.

На рис. 8 приведены результаты формирования тр╦хмерных микрообъектов. Измерения вольтамперных характеристик сформированных микрообъектов при механическом воздействии показали наличие у них тензорезистивных свойств.

Рисунок 8. Формирование тр╦хмерных микрообъектов

На базе тр╦хмерных технологий возможно создание микромашин и микророботов.

Экспериментальные результаты по исследованию поверхностей

На нанотехнологических установках типа "Луч" проводились исследования поверхности различных объектов. Важной особенностью данных исследований является возможность их проведения в контролируемой газовой среде (обеспыленной, с управляемыми влажностью, температурой и газовым составом), что значительно уменьшает количество артефактов.

Измерение профиля используемых зондов

На рис. 9 приведены экспериментальные результаты исследования профиля зондов сканирующего туннельного микроскопа.

Рисунок 9. Результаты исследования профиля поверхности вершин различных зондов

При сканировании одним зондом относительно другого и соответствующей обработке результатов можно восстановить форму каждого из них [3].

Исследование поверхности графита с атомарным разрешением

Высокая стабильность мeханической конструкции и низкий уровень шумов электронной системы управления обеспечивают атомарную разрешающую способность при проведении исследований.

Конструкция пьезоманипуляторов установки обеспечивает возможность проведения измерений как в широком, так и в узком диапазоне без смены манипуляторов.

На рис. 10 представлены результаты сканирования поверхности пиролитического графита.

Рисунок 10. Результаты исследований пиролитического графита с атомарной разрешающей способностью

Измерение характеристик поверхности тест-объекта для микроэлектроники

Сочетание пошагового перемещения в диапазоне до 10x10 мм и широкодиапазонного сканирования в диапазоне до 40x40 мм предоставляет возможность поиска фрагментов на поверх-ности исследуемого образца.

На рис. 11 представлены результаты исследования поверхности тест-объектов.

Рисунок 11. Результаты исследования поверхности тест-объекта, полученные в режиме сканирования широкодиапазонным манипулятором

Позиционирование относительно характерных точек на поверхности (электродов к нанотранзистору)

При создании наноэлектронных элементов, которые подключаются к макроэлектродам, необходимо обеспечить позиционирование электродов, располагаемых на подложке в зоне проведения нанотехнологических процессов.

На рис. 12 привед╦н пример широкодиапазонного сканирования, на котором видны электроды, сформированные обычной микроэлектронной техноло-гией. Система манипуляторов позволяет осуществить перемещение образца в заданную зону и просканировать его поверхность в широком диапазоне. После выбора заданного внутреннего фрагмента кадра можно осуществить прецизионное сканирование и технологическое воздействие.

Рисунок 12. Пример позиционирования электродной системы в зону измерения поверхности для проведения нанотехнологических процессов

Исследование поверхности биологических объектов

На нанотехнологических установках производились исследования поверхностей различных биологических объектов [4]. Часть результатов представлена на рис. 13.

Рисунок 13. Результаты исследования биологических объектов с помощью сканирующей туннельной микроскопии: а) верхушка микроворсин опорной клетки обонятельного рецептора длиннокрылой акулы; б) поверхность липопротеина низкой плотности человека

Более подробное описание нанотехнологических установок, разработок и исследований с их применением, а также экспериментальных результатов можно получить на сайте ИНАТ МФК www.nanotech.ru.

Авторы выражают благодарность за плодотворное сотрудничество специалистам ЦЕНИ ИОФ РАН - Фролову В.Д. и Института морфологии человека - Сороковому В.И., получившим на разработанных нанотехнологических установках ряд представленных результатов.

Литература

1. Ананян М.А., Косяков А.Н., Киселев М.В., Котенков А.Г., Лускинович П.Н., Объедков О.В., Шавыкин А.Е., Филипов В.В. Нанотехнологический комплекс НК-100-1В. Сборник докладов 5-й Всеросийской конференции "Нейрокомпьютеры и их применение". 1999. С. 342√345.
2. Формирование наноразмерных структур на пл╦нке a-CH в присутствии адсорбата. П.Н. Лускинович, В.Д. Фролов, А.Е. Щавыкин, В.Д. Хаврюченко, Е.Ф. Шека, Е.А. Никитина. Письма в ЖЭТФ. Т. 62. Вып. 11. С. 868-872.868-872.
3. Method for the experimental inves-tigation of tip profiles for scanning tunneling microscopy. V.V. Efremov, P.N. Louskinovich and V.I. Nikishin. Ultramicroscopy 42-44 (1992) 1459-1463. North-Holland.
4. The usage of STM for the analysis of surfaces of biological osamples. N.K. Permyakov, M.A. Ananjan, P.N. Luskinovich, V.I. Sorokovoi, S.V. Savel▓ev. Applied Surface Science 144-145(1999)146-150.