Саратовский государственный технический университет
Кафедра «Материаловедение и высокоэффективные процессы обработки»
НАНОИНЖЕНЕРИЯ
Наноразмерные локальные процессы нанесения, удаления и модифицирования материалов
Зав. кафедрой МВПО,
д.т.н.. профессор В.Н. Лясников
2008 г.
Реферат
Отчет содержит 47 страниц печатного текста. Содержит базу данных литературных источников.
Ключевые слова: наноматериал, нанотехника, нанотехнология, нанометр, наноструктура, фуллерены, нанотрубка, наночастица, электронный микроскоп, нанодатчик, наноэлектроника, база данных.
Цель работы: получение максимальной определенности в соответствии знаниям сегодняшнего дня в уровне, на котором находится проблема «нано» как область прикладной науки, занимающейся производством материалов и изделий сверхмалых размеров и изучающая свойства различных веществ на атомарном и молекулярном уровне, в том числе наноразмерные локальные процессы нанесения, удаления и модифицирования материалов.
Создана база данных литературных источников по проблеме «нано», а именно: понятие нанотехнологии, практическое применение, вопросы коммерциализации.
Содержание
Введение: Современное состояние развития работ по нанотехнологии в России и зарубежом. Основные термины.
Глава 1. Удивительный мир «нанотехнологий»
Создание наноматериалов и приборных устройств на их основе
Создание и применение углеродных наноматериалов
Применение углеродных наноматериалов в электронике и светотехнике
Износостойкие защитные слои в микроэлектронике, механике, оптике
Применение в медицине
Создание конкурентоспособных ионно-плазменного кластерного оборудования, средств нанотехнологического контроля и процессов двойного применения
Рынок сбыта, конкуренция, маркетинг
Глава 2. Основные направления развития нанотехнологий.
Наиболее значимые результаты для устройств СВЧ
Перспективы использования нанотехнологий и наноматериалов
Ключевые проблемы развития нанотехнологий
Глава 3. Практический опыт наноструктурного изменения свойств материалов при ионно-лучевой обработке.
Изменение структурно-химических свойств материалов
Изменение свойств материалов твердотельных приборов
Влияние ионно-лучевой обработки материалов
Заключение
Приложение
База литературных источников
Введение: Современное состояние развития работ
по нанотехнологиям в России и за рубежом.
Основные термины
Приоритетным направлением развития науки и техники является исследование и разработка новых материалов и химических продуктов, удовлетворяющих различным потребностям развития общества, охраны окружающей среды. В обеспечение этого одной из основных задач Программы являются разработка научных основ и практических рекомендаций в области синтеза и конструирования принципиально новых химических продуктов и перспективных материалов, отвечающим мировым требования, радиационностойких, биосовместимых, сверхпластичных, композиционных наноматериалов для медико-биологических целей, прогрессивных материалов электронной техники.
Особенно бурно в последнее время развиваются технологии создания композитных наноматериалов, в частности, нанотехнология. Основным достоинством нанотехнологии является возможность использования принципиально новых подходов в создании искусственных сред уникальными электрофизическими свойствами. Нанотехнология дает новый импульс для развития таких областей науки как материаловедение, физика, химия, биология, информатика, энергетика, машиностроение, медицина. По словам Mihail Roco председателя подкомитета по науке Правительства США национальный научный фонд США вложил в развитие нанотехнологии в 1997 году 432 миллиона долларов США, в 2002 году фонд вложил свыше 2-х миллиардов долларов.
В развитых странах осознание ключевой роли, которую в недалеком будущем будут играть нанотехнологии, уже привело к разработке широкомасштабных программ по их развитию на основе государственной поддержки. Так, в 2000 году в США принята приоритетная долгосрочная комплексная программа, названная Национальной нанотехнологической инициативой и рассматривается как эффективный инструмент, способный обеспечить лидерство США в первой половине текущего столетия. К настоящему времени бюджетное финансирование этой программы увеличилось, по сравнению с 2000 годом, в 2.5 раза и достигло в 2003 году 720 млн. долларов, а на последующие четыре года, начиная с 2005 года, планируется дополнительно выделить 3,7 млрд. долларов. Аналогичные программы приняты Европейским союзом, Японией, Китаем, Бразилией и рядом других стран.
В России работы по развитию нанотехнологий ведутся в рамках межотраслевых и отраслевых программ, финансирование которых в сотни, раз уступают финансированию зарубежных программ. Обеспеченность этих программ материально-техническими ресурсами крайне недостаточна. Еще более бедственным в этом плане является положение региональной науки, финансирование которой на государственном уровне практически прекращено. Осознание этого факта, а также особо важной роли нанотехнологий в жизни общества в ближайшие годы, заставляет ученых и специалистов электронной отрасли Саратовской области, которая в недавнем прошлом входила в число ведущих в стране и мире, объединить свои усилия в поисках путей кардинального повышения эффективности научных исследований и ее материально-технической обеспеченности. Нанотехнологии, наряду с информационными технологиями и биотехнологиями, являются мощным инструментом интеграции технологического комплекса электронной отрасли Саратовской области в международный рынок высоких технологий, надежного обеспечения конкурентоспособности ее наукоемкой продукции.
Основные термины
«Нанотехнология» - совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба; в более широком смысле – этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов;
«Наноматериал» - материал, содержащий структурные элементы, геометрические размеры которых, хотя бы в одном измерении, не превышают 100 нм, и, благодаря этому, обладающий качественно новыми свойствами, в том числе заданными функциональными и эксплуатационными характеристиками;
«Наносистемная техника» - созданные полностью или частично на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.
Глава 1. Удивительный мир нанотехнологии
Нанотехнологии — это технологии работы с веществом на уровне отдельных атомов. Традиционные методы производства работают с порциями вещества, состоящими из миллиардов и более атомов. Это значит, что даже самые точные приборы, произведённые человеком до сих пор, на атомарном уровне выглядят как беспорядочная мешанина. Переход от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами — это качественный скачок, обеспечивающий беспрецедентную точность и эффективность.
Рисунок 1. Наноподшипник
В 1959 году нобелевский лауреат Ричард Фейнман в своём выступлении предсказал, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно. В 1981 году появился первый инструмент для манипуляции атомами — туннельный микроскоп, изобретённый учеными из IBM. Оказалось, что с помощью этого микроскопа можно не только «видеть» отдельные атомы, но и поднимать и перемещать их. Этим была продемонстрирована принципиальная возможность манипулировать атомами, а стало быть, непосредственно собирать из них, словно из кирпичиков, все, что угодно: любой предмет, любое вещество.
Нанотехнологии обычно делят на три направления:
изготовление электронных схем, элементы которых состоят из нескольких атомов
создание наномашин, то есть механизмов и роботов размером с молекулу
непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них чего угодно
Рисунок 2. Медицинский наноробот
Благодаря стремительному прогрессу в таких технологиях, как оптика, нанолитография микроэлектроника свч, механохимия и 3D прототипировние, нанореволюция может произойти уже в течение следующего десятилетия. Когда это случится, нанотехнология окажет огромное влияние практически на все области промышленности и общества.
В 1992 году, выступая перед комиссией Конгресса США, доктор Эрик Дрекслер нарисовал картину обозримого будущего, когда нанотехнологии преобразят наш мир. Будут ликвидированы голод, болезни, загрязнение окружающей среды и другие насущные проблемы, стоящие перед человечеством. Практически все, что необходимо для жизни и деятельности человека, может быть изготовлено молекулярными роботами непосредственно из атомов и молекул окружающей среды. Продукты питания — из почвы и воздуха, точно так же, как их производят растения; кремниевые микросхемы — из песка. Очевидно, что подобное производство будет куда более рентабельным и экологичным, чем нынешние промышленность и сельское хозяйство.
Рисунок 3.Частичка конструктивного тумана
Человечество получит исключительно комфортную среду обитания, в которой не будет места ни голоду, ни болезням, ни изнурительному физическому труду. А в перспективе нас ждёт возникновение «разумной среды обитания» (т. е. природы, ставшей непосредственной производительной силой). Нанокомпьютеры и наномашины заполнят собой все окружающее пространство: они будут находиться между молекулами воздуха, присутствовать в каждом предмете, в каждой клетке человеческого организма. Весь окружающий мир превратится в один гигантский компьютер или, что, пожалуй, будет вернее, человечество сольется с окружающим миром в единый разумный организм.
Создание наноматериалов и приборных
устройств на их основе
Интерес к наноструктурам, т.е. объектам, имеющим характерный размер от нескольких нанометров (один нанометр равен 10-9 м и в десять тысяч раз меньше толщины человеческого волоса) до нескольких десятков нанометров – сверхрешеткам, квантовым ямам, нитям и точкам – существенно вырос в последнее десятилетие. Это объясняется тем, что подобные объекты проявляют свойства, существенно отличающиеся от свойств вещества в макроскопическом (объемном) состоянии. Приборы квантовой электроники, создаваемые на их основе, уже будут работать не на классических, а на квантовомеханических принципах.
Среди наноматериалов особое место занимают образцы, содержащие наноразмерные частицы металла и полупроводников. В периодических публикациях их называют «квантовыми токами», подчеркивая тем самым, что в этих образования, в отличие от массивных материалов, отсутствует широкая зонная структура и имеется структура минизон или набор дискретных электронных уровней. В квантовой точке движение электрона ограничено в трех направлениях и энергетический спектр полностью дискретный, как в атоме. Поэтому квантовые точки называют еще искусственными атомами, хотя каждая такая точка состоит из тысяч или даже сотен тысяч настоящих атомов. Подобно настоящему атому, квантовая точка может содержать один или несколько свободных электронов. Если одни электрон, то это как бы искусственный атом водорода, если два – атом гелия и т.д.
Огромную актуальность приобрели работы, связанные с созданием сверхрешеток с нуль мерным электронным газом, т.е. структур с дополнительным периодическим потенциалом, создаваемом легированием или изменением состава полупроводниковых материалов с периодом, большим, но сравнимым с постоянной кристаллической решетки. Резонансное туннелирование через полупроводниковые атомы, внедренные в более широкозонные слои, может приводить к значительному улучшению характеристик приборов. Лазеры на сверхрешетках, образуемых плоскостями вертикально связанных КТ, как ожидается, будут иметь более высокие характеристики по сравнению со стандартными лазерами на КЯ. В них ожидается одновременное проявление таких уникальных черт, как высокое дифференциальное усиление, сверхнизкое значение пороговой плотности тока и высокая температурная стабильность пороговой плотности тока. В более широком смысле, по выражению Ж.И. Алферова, структуры с КТ будут разработаны как «вширь», так и «вглубь». «Вширь» - подразумевает новые материальные системы, способные перекрывать новые диапазоны энергетического спектра. «Вглубь» - подразумевает понимание того, что степень упорядоченности наноструктур в значительной степени зависит от очень сложных условий роста, констант материалов, конкретных значений поверхностной свободной энергии. Путь к резонансно-туннельным и одноэлектронным приборам и устройствам – глубокое и тщательное исследование и оценка этих параметров с целью достижения максимально возможной степени упорядоченности.
И хотя квантовые приборы на основе наноструктур еще не заменили обычные диоды, транзисторы и пр., их потенциальные возможности оцениваются очень высоко. Так, нанокристаллы в нанокристаллических полупроводниковых пленках позволяют реализовать терабитную память. Эти свойства, наряду с наблюдаемой фотолюминесценцией от таких пленок, могут быть принципиально важными для создания новейших приборов одноэлектронной и однофотонной наноэлектроники. В ведущих физических лабораториях мира активно ведутся работы, направленные на создание элементной базы квантовых суперкомпьютеров, в которых в качестве логических элементов (кубитов) выступают ядра атомов в твердом теле или отдельные электроны в квантовых точках, что позволяет достичь беспрецедентно высокой производительности вычислений, недостижимой в традиционных суперкомпьютерах, а также создать средства квантовой связи и криптографии. На основе твердотельных наноструктур исследуются и разрабатываются новые квантовые структуры, которые станут элементами больших интегральных схем, способных с гигантской скоростью перерабатывать и хранить огромные объемы информации.
Областями применения наноматериалов являются высокоселективные и чувствительные оптические сенсоры, смесители электромагнитных колебаний в широком спектральном диапазоне, лазеры и лазерные дисплеи с яркостью на 2-3 порядкаболльшей, чем у дисплеев на светодиодах, и большим углом обзора, одноэлектронные транзисторы для квантовых компьютеров, элементы памяти наноразмеров, высокоэффективные солнечные элементы, полимерные наноструктуры и жидкокристаллические наноматериалы для высокоинформативных и энергоэффективных систем отображения информации (новые типы дисплеев, электронная бумага) и др.
Кроме наноэлектроники, приоритетными направлениями развития нанотехнологий являются:
получение квазикристаллических наноматериалов, сочетающих повышенную прочность, низкий коэффициент трения и термостабильность для перспективных изделий машиностроения, альтернативной водородной энергетики;
микро- и наномеханика, обеспечивающая прорыв в создании сверхминиатюрных устройств, способных генерировать энергию, проводить мониторинг окружающей среды, передвигаться, накапливать и передавать информацию, осуществлять воздействие по заложенной программе («умная пыль», микророботы);
органические наноматериалы и биологические наноструктуры, в которых роль функциональных элементов выполняют биополимеры, позволяющие реализовывать принципы приема и обработки информации;
биосовместимые наноматериалы для создания искусственной кожи, принципиально новых перевязочных материалов с антимикробной, противовирусной и противовоспалительной активностью;
биосенсоры и биологические микрочипы, в том числе для видовой идентификации возбудителей особо опасных инфекций и токсинов;
пленочные материалы для нелинейных оптических и магнитных систем, газовых сенсоров, биосенсоров, мультислойных мембран;
лекарственные препараты нового поколения для адресной доставки в клетки-мишени и др.
Среди методов получения наночастиц можно выделить метод электроискровой эрозии, распыление, осаждение из газовой фазы, механическое размалывание, химические методы, стекловолоконную технологию и др. Важное место занимают плазменные методы получения нанокомпозитных материалов. Предусматривается разработка стекловолоконных и плазменных технологий получения и исследование наноразмерных структур и пленок, слоистых пленочных структур и сверхрешеток с нуль-мерным электронным газом, пленочных материалов с наноразмерными кристаллитами различных аллотропных фаз углерода, в том числе и нанотрубных, осаждаемых селективно за счет применения катализаторов роста, а также различных матриц, содержащих наночастицы. Последние объекты представляют особый интерес, т.к. позволяют непосредственно исследовать особенности наноразмерного состояния. В качестве матриц используется стекло, окислы (напр., SiO2), металлы (например, Hg), полимерные пленки и др. При получении наночастиц без матрицы (в виде порошка) основной проблемой является их агломерация, приводящая к образованию крупных агрегатов из частиц и к утрате присущих наноразмерному состоянию уникальных свойств. С практической точки зрения предпочтительнее использовать полимерные или стеклянные матрицы, в которых имеются естественные пустоты наноразмера (нанореакторы), пригодные для формирования наночастиц. Большое место в Программе занимает разработка стекловолоконной технологии и оборудования для массового производства наноразмерных элементов с произвольной сложностью структуры в поперечной плоскости, основанная на многократной перетяжке пучков стеклянных элементов. Технология вытяжки позволяет получать капилляры с внутренними размерами до единиц нанометров, одновременно осуществляя контроль размеров отверстий и стенок капилляров. Размер элементов структур может быть порядка 50 нанометров. Стекловолоконная технология позволяет конструировать сложные микроструктуры с большим набором функциональных свойств. На основе этой технологии планируется разработка:
новых конструкций и технологий изготовления микроструктурных матриц диагностических биочипов, обеспечивающих высокую плотность проб (от десятков тысяч до миллиона);
устройств доставки необходимого нуклеотида в строго определенное место матрицы биочипа;
микромеханических устройств для акселерометров и гироскопов;
микроминиатюрных моно- и многослойных мембран для создания уникальных анализаторов газа, тензо-, акусто-, магниточувствительных сенсоров;
новых оптических сред и волокон на основе двумерных диэлектрических и металлоэлектрических микро-нанострокутр для создания уникальных фемтосекундных лазерных систем, двумерных фотонных кристаллов и др.;
матриц СВЧ акустических резонаторов на основе нанокапиллярной пьезоэлектрической структуры для применения в системах распознания СВЧ радиосигналов, кодирования, декодирования сигнала, в телекоммуникационных системах.
С физической и практической точек зрения наибольший интерес представляет ряд важных и уникальных свойств наноматериалов, например, аномальное поглощение и рассеяние оптического излучения вблизи критической точки перколяции, нелинейные оптические свойства, магнитооптические и магниторефрактивные эффекты. Помимо оптических уникальных свойств металлополимерные нанокомпозиты обладают важными электрофизическими свойствами. Так экспериментальные исследования электропроводности и диэлектрических свойств, железосодержащих нанокомпозитов на основе диэлектрической матрицы из полиэтилена высокого давления показали, что в диапазоне перколяционной концентрации наночастиц железа 0.5-20 масс.% относительное увеличение электропроводности и диэлектрической константы составило около 600%.
Концепция развития в России работ в области нанотехнологий на период до 2010 года.
1.2. Создание и применение углеродных наноматериалов
Приоритетным направлением развития нанотехнологий, в котором могут быть достигнуты наиболее быстрые и значительные практические результаты, является исследование и разработка наноуглеродных материалов: фуллеренов, углеродных нанотрубок и композиционных наноалмазных материалов. Эти наноуглеродные компоненты могут обладать металлической проводимостью и высокотемпературной сверхпроводимостью, быть диэлектриками, полупроводниками, сверхпроводящими соединениями. Они используются в дисплеях с низковольтной автоэлектронной эмиссией, в водородной энергетике в качестве контейнеров для хранения водорода, в наноэлектронике.
Ожидаемыми результатами по углеродным нанотехнологиям являются разработка широкой номенклатуры сорбентов, полимерных и неорганических мембран для химической, перерабатывающей и медицинской промышленности новой «невзрывной» технологии синтеза алмазных порошков узкого фракционного состава для процессов шлифования и химико-механического полирования, применяемых в машиностроении, микроэлектронике, оптике и др. отраслях промышленности, острая потребность в которых непрерывно увеличивается, новых электродных материалов для перезаряжаемых литиевых источников тока нового поколения, антиэмиссионных покрытий сеток для электровакуумного производства. Важнейшей задачей является поиск эффективных путей получения новых композиционных углеродных наноматериалов с управляемыми физико-механическими, оптическими, фото- и электрическими свойствами, которые обладали бы уникальными функциональными возможностями. Предусматривается, в частности, разработка технологии синтеза новых наноуглеродных композиционных материалов с прогнозируемыми адсорбционными и электрохимическими характеристиками. Будут созданы конкурентоспособные, как по техническим характеристикам, так и по признакам цена-качество-долговечность, водородные химические источники тока нового поколения, которые по своим удельным характеристикам в 1.5-2 раза будут превышать технические показатели выпускаемых в настоящее время никель-металлогидридных аккумуляторов и водородных топливных элементов. Наноалмазосодержащие материалы позволяют повысить сорбционную емкость, а также, кинетические характеристики электродов химических источников тока за счет снижения массы пассивной в электрохимическом отношении интеркаляционной матрицы. Это приведет не только к улучшению качества и потребительских свойств источников тока, экономии дорогостоящих, а порой и дефицитных материалов, но и позволит разработать на основе водородных электродов химические источники тока, не содержащие токсичных компонентов (экологически безопасные), с повышенными мощностными и емкостными характеристиками. Сфера применения подобной продукции чрезвычайно обширна – от систем энергообеспечения космических аппаратов до гибридных транспортных средств и электромобилей.
Чрезвычайно обширной может быть сфера применения новых материалов на основе фуллереновых кластеров. При определенных технологических условиях на тонкой углеродной пленке могут быть выращены нанотрубных структур С60 со сверхвысокой пористостью. Полученное сито может иметь диаметры отверстий порядка миллионных долей миллиметра. Такие пленки могут найти применение в так называемой мембранной технологии, для разделения смесей по размерам атомов и молекул, стерилизации жидкостей и газов путем прямой фильтрации вирусов. Кроме того, в крупные поры сита можно поместить полимерные цепи, в поры поменьше – атомы металлов, создавая целый набор композитных материалов с заранее заданными свойствами.
Исследование процессов газофазного синтеза различных макромолекулярных форм углеродистых веществ, не образующих регулярной кристаллической решетки типа графита или алмаза, какими являются корбин, фуллерены, различные по молекулярной структуре углеграфитовые и алмазоподобные материалы, изучение их свойств находится в центре внимания ученых всех ведущих стран мира. Изучаются роль и соотношение термодинамических и кинетических факторов, ведется поиск условий селективного осаждения заданных аллотропных фаз, разрабатываются возможные механизмы их роста, изучаются физико-химические свойства и возможные области применения. По своей природе используемые газофазные процессы являются высокотемпературными с непрерывным энергетическим спектром активированных частиц газовой фазы, затрудняющим распознание механизмов исследуемых явлений. В отличие от этого осаждение из газовой фазы, активированной электрическим разрядом с низкотемпературным и энергетически управляемым электронным воздействием способно упростить процесс познания исследуемых явлений и достижения поставленных целей. Кроме того, при получении углеродных материалов из плазмы спектр метастабильных состояний и соответствующих им свойств может быть значительно расширен. Это открывает новые возможности для создания углеродных материалов для целей микроэлектроники, механики, оптики, медицины.
1. 3. Применение углеродных наноматериалов
в электронике и светотехнике
Анализ технологического развития стран цивилизованного мира свидетельствует, что на первом месте находятся технологии, связанные с информатикой и ее элементной базой – микро- и наноэлектроникой. То есть с теми приборами и устройствами, которые позволяют накапливать, передавать, обрабатывать и отображать информацию, и тем самым создавать новые условия жизни. Технология электроники относится, таким образом, к критическим технологиям, без которых страна, а значит и ее регионы, не может успешно развиваться, отстаивать национальные интересы и оборону и даже не обеспечить работой своих людей из-за неконкурентности производимых товаров.
В последнее время многократно возросла актуальность задачи по созданию наноуглеродных материалов. Это связано с интенсивным поиском исследователями многих стран путей создания долговечных, высокостабильных и дешевых автоэлектронных эмиттеров для плоских дисплеев и приборов вакуумной СВЧ микроэлектроники. Перспективными материалами в этом отношении представляются структурные модификации углерода фуллерены и алмаз, в которых наиболее привлекательными являются сочетание рекордных значений различных физико-химических параметров и уникальные электронно-эмиссионные свойства. Результаты новейших исследований в области алмазных пленок показали, например, что последние, как и природный алмаз, могут обладать врожденным стабильным отрицательным электронным сродством, то есть эти пленки способны эмитировать в относительно слабом электрическом поле. Электроны могут быть ускорены, собраны в пучки и промодулированы внешними сигналом. На этом эффекте может быть создан широкий спектр приборов сверхвысокочастотной вакуумной микроэлектроники, плоские индикаторные и телевизионные панели и др.
Применение алмазоподобных и композиционных наноалмазографитовых углеродных пленок позволит увеличить в несколько раз срок эксплуатации существующих изделий и придать им новое качество (например, фотошаблонов, оптических элементов, пар трения, режущего инструмента и изделий медицинской техники), создать принципиально новые приборы и изделия. В мире эти пленки широко используют для создания элементной базы наноэлектроники, функциональных слоев в СБИС, холодных катодов для радиационно-стойкой вакуумной СВЧ электроники, фотоприемников оптического излучения, детекторов рентгеновского излучения, детекторов рентгеновского излучения и др. Выбором любого заданного соотношения алмазоподобной и графитовой углеродных фаз возможно получение высокостабильных резисторов с широкими спектрами номиналов и рассеиваемой мощности. Возможно создание углеродных конденсаторов, различных углеродных гетероструктур и мощных радиационностойких сверхвысокочастотных интегральных схем, использующих углеродные пленки в качестве диэлектрических, полупроводниковых и проводящих материалов, то есть всей элементной базы нового направления микроэлектроники-радиационностойкой углеродной электроники.
Важнейшими результатами выполнения этого направления должно быть создание миниатюрных радиационностойких многолучевых СВЧ клистродов с электронной перестройкой частоты и мгновенным временем готовности, разработка новых конкурентоспособных конструкций автоэлектронных катодов на основе наноуглеродных материалов, создание высоко экономичных источников белого света и экологически чистых полноцветных катодолюминесцентных плоских дисплейных и телевизионных экранов нового поколения.
Следует отметить, что Саратовская электроника в создании плоского информационного экрана имеет неоспоримые преимущества в стране и мире. Потенциальными зарубежными потребителями, разрабатываемого в рамках Программы оборудования и технологии, а также самых плоских экранов уже сейчас являются США, Ю.Корея и др. промышленно развитые страны. Рынок плоских катодолюминесцентных экранов на основе холоднополевых катодов – неограничен.
1.4. Износостойкие защитные слои в микроэлектронике, механике, оптике
Алмазоподобные углеродные пленки обладают высокой коррозийной и лучевой стойкостью при воздействии лазера с l = 10,6 и 1,06 мкм, твердостью не хуже 6000 кг/мм2, износостойкостью, малым коэффициентом трения, высокой оптической прозрачностью с коэффициентом преломления в диапазоне от 1,44 до 2,2.
Формирование многослойных структур на основе DLC-пленок с указанными свойствами обеспечивает параметры покрытий, недостижимые у традиционных материалов (уникальные оптические, механические и износостойкие свойства). Срок службы оптических элементов увеличивается в 3 раза вплоть до 5000-7000 часов при использовании данных защитных покрытий. Эти покрытия обеспечивают нормальную работу оптики в условиях высокой влажности и агрессивной внешней среды. Особенно остро стоит задача защиты изделий оптики на основе полимерных материалов (элементы дифракционной оптики и т.д.). А именно за данным типом оптических изделий – будущее.
Разрабатываются технологии и методы осаждения защитных покрытий, обладающих уникальными оптическими и механическими свойствами, на самый широкий спектр материалов: металлы, стекла, кварц и полимеры различных типов. Предусматривается разработка плазменных и ионно-лучевых методов нанесения износостойких, декоративных, коррозионностойких и других покрытий со специальными свойствами на подложки и ленточные носители шириной до 2 м и более.
1.5. Применение в медицине
Исследования последних лет показали, что одна из аллотропных фаз углерода – карбин обладает высокими биосовместимыми свойствами. Это позволяет использовать его в качестве покрытия поверхности эндопротезов. Более того, карбин является биоактивным веществам, стимулирующим быстрое образование на нем живых тканей.
Среди новых, ожидаемых сфер применения в медицине алмазоподобных и карбиносодержащих углеродных пленок, целесообразно выделить такую проблему, как бактерицидные свойства инструмента. Нанесение углеродной пленки заданной аллотропной фазы, а затем ее удаление в кислородосодержащей плазме позволяет получить одноразовый медицинский инструмент с бактерицидными свойствами и упрочненной поверхностью, использую одну и ту же основу.
Создание эндопротезов с карбиновым покрытием и медицинских инструментов нового поколения, обладающего биологической стойкостью и бактерицидностью является исключительно актуальной проблемой. Его применение позволит решить такую важную проблему, как отторжение имплантатов организмом. При этом сроки лечения больных сократятся в два-три раза.
Полученные результаты (разработанная технология и оборудование) могут быть в дальнейшем использованы для целей микроэлектроники. Карбин имеет линейную структуру и представляет собой одномерный полупроводниковый материал с переменной шириной запрещенной зоны от 1 до 2 эВ. Одномерные полупроводниковые материалы, обладающие, кроме того, механической прочностью и химической инертностью, представляют огромный интерес для микроэлектроники с точки зрения сверхпроводимости систем памяти для информационных систем.
1.6. Создание конкурентоспособных ионно-плазменного кластерного оборудования, средств нанотехнологического контроля и процессов двойного применения
В течение долгого времени во всем мире предпринимались попытки изготовления квантовых точек и приборов на их основе «традиционными способами», например путем селективного травления структур с квантовыми ямами, роста на профилированных подложках, на сколах или конденсации в стеклянных матрицах. При этом приборно-ориентированные структуры так и не были созданы, а принципиальная возможность реализации атомноподобного спектра плотности состояний в макроскопической полупроводниковой структуре не была продемонстрирована в явном виде.
Качественный прорыв в данной области связан с использование эффектов самоорганизации полупроводниковых наноструктур в гетероэпитаксиальных полупроводниковых системах. Под самоорганизацией понимается самопроизвольное возникновение макроскопических структур из менее упорядоченной среды. В основе процесса самоорганизации лежит свойство неравновесных физических систем при приближении к термодинамическому равновесию переходить в состояние, в котором свободная энергия системы, то есть та часть внутренней энергии, которая может быть превращена в работу, минимальна. Благодаря этому эффекту были реализованы идеальные гетероструктуры с квантовыми точками с высоким кристаллическим совершенством, квантовым выходом излучательной рекомбинации и однородностью по размерам (10%), получены первые оптоэлектронные приборы, такие как, например, инжекционные гетеролазеры на квантовых точках. В настоящее время главное направление технического применения самоорганизованных квантовых точек видится в разработке инжекционных полупроводниковых лазеров для волоконно-оптических линий связи. В связи с этим усилия исследователей направлены на решение тех важных для создания таких лазеров задач: выращивание бездефектных КТ, излучающих на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм, на которых оптическое волокно имеет минимальные оптические потери, и повышение их однородности и поверхностной концентрации. В целом, необходимо найти более сильные механизмы самоорганизации для создания упорядоченных массивов КТ. Вертикально-связанные массивы самоорганизованных КТ можно представить как одномерную сверхрешетку – совершенно новый объект исследований.
Для получения гетероструктур с бездефектными саморганизованными квантовыми точками используются два основных метода: метод молекулярно-пучковой эпитаксии и метод газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений. Достигаемое при этом спонтанное упорядочение наноструктур позволяет получать включения узкозонных полупроводников в широкозонной матрице и тем самым создавать локализующий потенциал для носителей тока. Периодические структуры таких включений могут образовывать сверхрешетки, состоящих из квантовых ям, проволок или точек. В последнее время наблюдается неуклонное повышение активности в разработке методов получения и исследования наноструктур и сверхрешеток на самоорганизованных квантовых точках в полупроводниковых нанокристаллических конденсированных средах на основе кремния, карбид кремния и алмаза. Это связано с перспективой интеграции этих разработок с базовой кремниевой технологией изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем и возможностью использования более широкого круга технологического оборудования, в частности, вакуумно-плазменного.
В настоящее время независимо от назначения схем изготовление перспективных элементов электронной техники, применяемых для создания ЭВМ, систем управления, аппаратуры связи, устройств телевидения, современных систем вооружения или товаров медицинского, промышленного и бытового назначения, все больше осуществляется по субмикронной технологии, реализующей функциональные слои толщиной в сотни ангстрем, повышенную интеграцию. В промышленное производство уже внедряются технологические процессы и оборудование для изготовления СБИС с размерами элементов 0,35-0,5 мкм и менее на пластинах диаметром до 300 мм. Для получения приемлемого выхода годных в таком производстве, также как при изготовлении наноструктур должны быть условия для минимальных дефектообразований, как в самом технологическом оборудовании, так и вне его при загрузках и транспортировках обрабатываемых пластин.
Уменьшение привносимых дефектов достигается в самом технологическом оборудовании, за счет рабочей и внешней сред. Для последней создают специальные «чистые» комнаты, запыленность в которых для субмикронной технологии должна быть не хуже 1 класса, что требует больших материальных затрат. Поэтому строительство современных заводов по производству интегральных схем уже не может окупаться.
В качестве выхода из этого положения современная тенденция развития полупроводникового машиностроения предусматривает отказ от больших объемов «чистых» комнат и переход на оборудование, которое обеспечивает уменьшение чистых объемов, повышение выхода годных за счет интеграции нескольких технологических операций, что позволяет обрабатывать полупроводниковую пластину без извлечения на атмосферу до завершения определенного технологического микроцикла. Такие установки называют кластерными. Их разработка и создание являются важнейшим приоритетным направлением развития нанотехнологий.
Использование кластерного оборудования позволит реализовать целый ряд преимуществ по сравнению с существующим оборудованием:
наращивание кластеров для проведения укрупненных технологических циклов, включая системы электронно-лучевого контроля и экспонирования, экстремальной ультрафиолетовой литографии (ЭУФ), технику фокусированных ионных пучков, комплексы зондовой микроскопии и др.;
снижение затрат на «чистые» комнаты, а в ряде случаев и полное и исключение;
уменьшение затрат на приобретение оборудования при изменении производства за счет имеющихся транспортных модулей;
гибкость при переходе к новым процессам за счет простоты изменения состава кластера;
снижение внешних загрязнений при уменьшении транспортировок пластин между установками;
обеспечение в пределах установок непрерывного потока обработок пластин с исключением очередей и буферных накопителей;
обеспечение необходимой чистоты процессов за счет транспортировки пластин между операциями в вакууме, минимизация загрязнений правильной герметизации и т.д.;
компоновка в одном кластере модулей разных поставщиков оборудования.
В настоящее время разработкой и внедрением кластерного оборудования в производстве схем занимаются десятки зарубежных фирм (Alcatel, Motorola, Balzers, Leibold-Heraues и др.). Созданы установки и модули для осаждения, травления и планаризации диэлектрических слоев, осаждения металлических слоев, нанесения и проявления резистивных слоев и т.д. Номенклатура разработанных технологических модулей непрерывно возрастает. При этом появилось оборудование уже второго поколения, его производительность возросла по некоторым операциям до 30-40 п/п/час. продолжительность исправного состояния достигла 85%.
В России первые целенаправленные разработки кластерного оборудования начаты в 1989 году (НИР «Ориентир-90», НИИТМ) и продолжены в 1990-1992 гг. (НИР «Гора-С», «Общность-91, 92»). Однако из-за ограниченности финансирования темпы и масштабы разработок недостаточны.
В настоящее время предусматривается разработка и создание оригинального многоцелевого технологического модуля ионно-плазменной кластерной установки на основе микроволнового газового разряда в магнитном поле. Принципиальная новизна предлагаемых научных и технических решений связана с повышением частоты электромагнитного поля вплоть до СВЧ - диапазона (2,45 ГГц), которое способствует лучшему вакуумированию разряда, а для приложения внешнего магнитного поля (для создания условий электронно-циклотронного резонанса). Повышение частоты электрического поля способствует увеличению критической плотности электронов плазмы, большему, чем в ВЧ – разряде, разрыву между величинами электронной и ионной температур, что обеспечивает лучшую управляемость, эффективность и «мягкость» энергетического воздействия на обрабатываемые материалы.
Благодаря вакуумной чистоте безэлектродного СВЧ газового разряда в магнитном поле широкому диапазону рабочих параметров процесса (давлений газа от 0,01 до 100 Па, энергии ионов от 20 до 1500 эВ, плотности токов до 2,5 мА/см2 и т.д.) возможна реализация в одной установке процессов низкотемпературного плазмохимического осаждения и прецизионного глубоко субмикронного «сухого» травления с минимальной привносимой дефектностью и управляемыми селективностью и анизотропностью различных полупроводниковых, проводящих и диэлектрических слоев. Изменением состава рабочих газовых смесей возможна реализация вакуумно-плазменного осаждения и субмикронного травления широкого набора материалов микроэлектроники (Si, SiO2, Si3N4, MoW) и гетероструктур на их основе. Низкоэнергетичная высокоионизованная плазма микроволнового газового разряда с электронным циклотронным резонансом обладает несомненными преимуществами как с точки зрения удовлетворения самым жестким требованиям микроэлектронного производства, так и с точки зрения многообразия реализуемых технологических процессов. По своим потенциальным возможностям одна установка с микроволновым газовым разрядом может заменить 4…5 установок с обычным высокочастотным возбуждением газового разряда.
Получение новых материалов с заданным электрофизическими свойствами, с одной стороны, и повышение требований к функциональным параметрам структур, с другой, обеспечивается созданием и использованием в современном кластерном оборудовании методов контроля свойств плазмы и получаемых образцов материалов непосредственно в ходе проведения процессов. В связи с этим зарубежные фирмы – разработчики оборудования стремятся к насыщению технологических установок системами встроенного контроля. Особого внимания заслуживают разработки фирмы Filmetrics.
Разрабатываемый технологический модуль предполагается оснастить оригинальными средствами активного контроля воспроизводимости плазменных процессов и изучения, адаптивного контроля и управления процессами обработки и синтеза наноструктур in situ. Разработка методик, алгоритмов и программно-аппаратных средств многопараметрового контроля и мониторинга электрофизических свойств материалов и структур на различных этапах их синтеза основываются на твердотельном зондировании с использованием эллипсометрии, рефлектометрии, одноволновой и спектральной интерферометрии, сканирующей зондовой микроскопии. Планируется создание уникального дистанционно управляемого нанотехнологического комплекса, обеспечивающего измерения физико-технических параметров нанообъектов всеми основным видами сканирующей зондовой микроскопии: туннельной, атомно-силовой, оптической ближнего поля, а также реализацию типовых нанотехнологических операций. Технологический модуль может использоваться для реализации высокопрецизионных безрадиационных технологий двойного назначения: для обработки материалов микро- и наноэлектроники на пластинах сверхбольшого диаметра (до 300 мм) с минимальными размерами элементов 0,5-0,3 мкм и менее и создания наноструктур и наноматериалов специального назначения. Это делает очевидным экономическую целесообразность создания и конкурентоспособность таких кластерных систем.
Разработка «разумного» технологического оборудования для реализации нанотехнологий является важнейшим условием достижения успеха в обеспечении воспроизводимого создания материалов с заданными структурными и электрофизическими свойствами, а значит и выполнения проекта в целом.
1.7. Рынок сбыта, конкуренция, маркетинг
По оценкам зарубежных экспертов объем мирового рынка нанотехнологий к 2010 году составит более 1 трлн. долларов. Кроме того, использование нанотехнологий позволит сократить выбросы углекислого газа в атмосферу, что внесет существенный вклад в борьбу с влиянием парникового эффекта.
Масштабность отечественного рынка сбыта для кластерного ионно-плазменного оборудования обуславливается, по крайней мере, двумя глобальными его технологическими назначениями: создание элементной базы наноэлектроники и СБИС с размерами элементов 0,5-0,3 мкм и меньше на пластинах диаметром до 300 мм, а также плоских дисплеев на холодных катодах. Потенциальными потребителями новых типов приборов алмазно-фуллереновой электроники являются производители систем связи, контроля и управления авиа-, судо-, авто-, медицинской техники, компьютеров, теле-, видеотехники, атомной, газовой, нефтяной промышленности и т.д.
Развитие производства кластерного технологического оборудования, создание новых наноуглеродных материалов и новых типов приборов, в частности, плоских экранов на холодных катодах, являются приоритетами развития Ю. Кореи, других стран Ю.-В. Азии, поскольку соответствующие внутренние рынки сильно зависят от импорта. Только в 1994 г. 90% оборудования японских и американских фирм. Потенциальными зарубежными потребителями являются Китай, Индия, Вьетнам.
Основная конкуренция на зарубежном рынке ожидается со стороны ведущих японских и американских фирм, специализирующихся на выпуске технологического оборудования для нанотехнологий и традиционной полупроводниковой промышленности, например, Applied Materials - одному из крупнейших мировых поставщиков установок для напыления, ионной имплантации и сухого травления, а также фирм Balzers, Drytek, Elektrotesh и т.д. Среди фирм СНГ и России реальные конкуренты отсутствуют.
Маркетинговые исследования должны быть направлены на изучение цен и спроса, используя информацию о которых можно обеспечить рынок более дешевыми моделями изделий может быть с меньшим набором функциональных возможностей, но специализированных под конкретные применения. Другой важной задачей является поиск потенциальных партнеров по внешнеэкономической деятельности, содействие установлению прямых контактов с целью организации совместных производственных и сбытовых предприятий.
Создание инновационной Программы в области нанотехнологий позволит объединить и скоординировать возможности специализированных машиностроительных и ведущих технологических предприятий электронной отрасли, программ подготовки специалистов вузами, институтами РАН, максимально унифицировать элементно-конструкторскую базу, компоновочные решения, системы управления, обеспечить соответствие создаваемого оборудования, технологий и электронных устройств международным стандартам и техническому уровню. Разработка специального технологического оборудования в кластерном исполнении применительно к задачам традиционной, квантовой и углеродной микроэлектроники, создания устройств отображения информации на основе плоских дисплеев с холодными катодами позволит достичь необходимой эффективности производства, решить задачу повышения конкурентоспособности наукоемкой продукции твердотельной углеродной электроники, нано- и микроэлектроники нового поколения.
|
