Інкубатор для нанотранзисторів

Київським ученим удалося створити нові джерела випромінювань, у тому числі геліконне, за допомогою якого можна одержувати об’ємну плазму й переміщати її в камері.

У столичному Інституті металофізики ім. Г.В.Кур­дю­мова вчені створили ­установку, яка дозволяє ­вирощувати нанорозмірні об’єкти із заданими параметрами для сучасної електроніки. У розробці зацікавлені українські виробничники, які прагнуть відродити в країні мікроелектроніку, що гине. Однак упровадити нову, найсучаснішу технологію поки не виходить. Чому?

Розповідає Едуард Руденко, доктор фізико-математич­них наук, професор, завідувач відділу надпровідникової електроніки Інституту металофізики НАНУ.

— Нам удалося створити гібридну іонно-плазмову систему для одержання нанооб’єктів. Це розрядна камера із двома джерелами випромінювань — геліконним і розрядно-дуговим. Камера має вакуумний циліндр діаметром 300 мм, висотою 400 мм. Зверху розташоване джерело високочастотного випромінювання й котушки, які створюють магнітне поле. Сполучення двох джерел — ВЧ і магнітного поля — і дозволяє одержати об’ємний, так званий геліконний розряд. У результаті в розрядній камері створюються стоячі хвилі — через інтерференцію хвиль: прямих, які випускаються джерелом ВЧ, і зворотних — відбитих від стінок камери.

Крім того, по обидва боки в розрядну камеру врізані два іонних прискорювачі. У кожному з них є своє джерело потрібного металу, наприклад, хрому або нікелю. Іони металів потрапляють у камеру перпендикулярно до її осі, а потім під впливом електромагнітного поля змінюють напрямок руху на 90° — із горизонтального на вертикальний й потрапляють на підкладку-мішень, розташовану внизу камери. На мішені утворюється покриття складної сполуки, що залежить від металів, розміщених в іонних прискорювачах. Установка оснащена приладами, які показують усі параметри роботи, необхідні для дослідника: глибину вакууму, температуру, силу струму тощо. Вони відразу відображаються на дисплеї комп’ютера. А за допомогою оглядового вікна можна візуально спостерігати за процесом.

Свою ідею ми реалізували завдяки співробітництву з Інститутом ядерних досліджень.

— У чому відмінність такого плазмового прискорювача від інших систем?

— У ньому дуже висока густота потоку плазми — удвічі вище, ніж у інших джерелах. Тому швидкість осідання матеріалу (металу або вуглецю) на мішені також набагато вище. А без магнітного поля геліконного розряду нема, і розподіл плазми в камері має зовсім інші характеристики — і об’ємні, і енергетичні. Сполучаючи в одному пристрої високочастотну плазму та іонний прискорювач, ми домоглися того, що потік іонів від цього прискорювача можна повертати в потрібному напрямку і спрямовувати на мішень.

Ми виявили на установці цікаві ефекти, пов’язані з об’ємними характеристиками плазми, відповідно до яких наші фізики зуміли побудувати теорію такого процесу. Їхні висновки можуть мати широке практичне застосування. Крім того, з’ясувалося, що магнітне­ поле можна відрегулювати таким чином, щоб під час запуску в камеру потоку іонів якогось матеріалу за допомогою іонного прискорювача на підкладку-мішень потрапляли іони тільки «потрібного» матеріалу. А все «сміття», сторонні домішки, які в невеликих кількостях завжди є в будь-якому сплаві, пролітали повз неї.

Таким чином, ми можемо одержувати на мішені плівки з високою чистотою навіть із не дуже чистого вихідного матеріалу. А використання ефекту стоячих хвиль дозволяє домагатися високої точності осідання його в потрібних точках. Іони металу вбудовуються в структуру мішені, виходить щільний, якісний шар, кращий, ніж за звичайного напилювання. Швидкість росту плівок — до 5 мікронів на хвилину, а це в багато разів вище, ніж за інших способів. Можна робити оксидні, нітридні покриття товщиною до 200 мікронів. Причому підкладка не розігрівається, температура виробів при одержанні металевих покриттів залишається в межах 50°С замість 400—800°С за інших технологій. Пучки в нашій установці мають таку високу енергію, що для них не треба попередньо розігрівати підкладку. Це дуже важливо для нанесення плівок металу на матеріали, які не люблять нагрівання, наприклад пластмаси.

Експеримент показує, що в створеному нами полі матеріал на мішені осідає переважно рівномірно. Але через те, що магнітне поле в камері утворює стоячі хвилі, на мішені формуються особливі бугорки, де осідання металу відбувається інтенсивніше. Вони віддалені один від одного на відстані 20 нанометрів і надалі їх можна використовувати як зони зростання для створення нанорозмірних напівпровідникових елементів. Такої щільності «упаковки» напівпровідників поки ще навряд чи хто-небудь досяг. І, що найважливіше в цьому випадку, створенням бугорків можна управляти, задаючи параметри іонних джерел і геліконного розряду.­

— Наскільки я зрозумів, залежно від частоти випромінювання змінюють­ся параметри стоячих хвиль, а отже, і відстань між зростаючими бугорками?

— Частоту ми не можемо варіювати, вона має задані промислові параметри. Точки росту виникають під дією іонного пучка. Тому наше завдання — не тільки доставити за адресою іони металу, а й забезпечити, щоб вони мали високу енергію. Це робиться за допомогою стоячих хвиль. Густота плазми біля підкладки зростає в 5—6 разів. Одночасно чиститься поверхня — легкоплавкі елементи видаляються.

Геліконне джерело випромінювання використовує газ аргон-40. Раніше під час експериментів із застосуванням іонних джерел було потрібно досягти досить глибокого вакууму: досліджувані зразки гріли місяцями, відкачували повітря з камери спеціальними помпами. Тільки тоді можна було спостерігати потрібні явища. Нам досить мати так званий технічний вакуум — у 4 рази менше.

Нанотрубки за кімнатної температури

— Одне з основних завдань, які ми перед собою ставили, — вирощування вуглецевих нанотрубок. Це протяжні циліндричні структури діаметром від одного до декількох десятків нанометрів і сотні нанометрів завдовжки. Як відомо з останніх наукових відкриттів, у таких структур унікальні властивості, у тому числі електричні. Із них можна будувати напівпровідникові елементи й цілі схеми. Зараз це передовий фронт світової науки, і в усьому світі проводяться експерименти зі створення на основі нанотрубок електронної техніки нового покоління.

Узагалі наша технологія виглядає так. Береться кремнієва підкладка, на ній за допомогою іонно-плазмової системи осаджується нітрид титану. Цей шар виявляється нерівномірним, у ньому виникають бугорки-зародки наноструктур товщиною 20—40 нанометрів — майбутні точки росту. Потім вмикається другий іонний прискорювач, який «працює» з іонами заліза й осаджує їх на бугорки. А потім на них, розпорошуючи вуглець за допомогою тих же іонних прискорювачів, ми ініціюємо ріст нанотрубок.

У науковій літературі ми не зустрічали, щоб нанотрубки було вирощено без термічної активації поверхні мішені за низької, майже кімнатної, температури. Звичайно використовують значне нагрівання матеріалу, одержують нанокраплі металу, які потрапляють на мішень. Ми відмовились від цього. Наша ідея — не зі шматка металу виділити, виокремити щось маленьке, а навпаки — створювати, вирощувати об’ємні нанорозмірні структури. В іонізованому потоці для вирощування вуглецевих нанотрубок бере участь інертний газ аргон плюс якийсь вуглецевмісний газ — СН4, С2Н2, навіть діхлоретан С2Н4Cl2. На металевій підкладці цей газ каталітично розкладається, звільняючи чистий вуглець, що і нарощує нанотрубки.

— Чому ви вважаєте, що на отриманих «острівцях» ростимуть саме вуглецеві нанотрубки, а не якісь інші утворення з вуглецю?

— Це перевірено на досвіді. За тих значень параметрів прискорювача, які ми задаємо, виходять саме шестигранники, які з’єднуються між собою у вигляді сітки й закільцьовуються. Причому, змінюючи енергію пучків іонізованих частинок, ми можемо регулювати діаметр нанотрубок. Ми вже знаємо, що за енергії 10 вольтів на підкладці утворюються 20-нанометрові структури, за напруги 90 вольтів — структури діа­метром 8—10 нанометрів, а за 200 вольтів їхній діаметр становитиме 3—4 нанометри. Чим високо­енергетичніший вплив, тим менше діаметр одержуваних нанотрубок. При цьому задіюється кілька фізичних механізмів, які поки недостатньо вивчені. Причому в нас для створення нанотрубок потрібно не 5—8 годин, як за інших технологій, а лише 10—15 хвилин на весь цикл. Цей спосіб дозволяє розширити зону застосування іонно-плазмової системи, вона сумісна з будь-якою нині діючою плазмовою технологією.

— Чи є у світі апаратура, що ґрунтується на такому принципі?

— Категорично говорити «ні» було б необачно. Скажу так: технологічних розробок ми не бачили, як і пуб­лікацій з цієї теми. Звичайно, у світі існують різні конструкції плазмових прискорювачів. Але ми не зустрічали прикладів їхнього використання в цьому напрямку. І найголовніше — спільне застосування двох джерел, геліконного і плазмово-дугового — це наше ноу-хау. Одним джерелом ми активуємо поверхню мішені, а іншим приносимо на неї потрібний матеріал.

— Які перспективи роботи з цією установкою?

— З її допомогою можна наносити складні сполуки на пластмасу, метал, кераміку. Установка робилася не тільки для фундаментальних досліджень. Вона створювалася під конкретні завдання, які необхідно вирішити в сучасному виробництві наноелектронних приладів. Нашим плазмовим прискорювачем зацікавилося одне київське підприємство, звернулося в профільне міністерство, щоб йому дали кредит  300 тисяч гривень. На основі цієї технології ми спільно могли б розробити таку наноелектроніку, яка дозволила б Україні не відставати від кращих світових розробок. Але з міністерством щодо грошей поки домовитися не вдалося. У той же час результати наших досліджень викликали великий інтерес із боку наукових центрів інших країн, у тому числі й Росії. Ми одержали декілька пропозицій про співробітництво.

Довідка «УТГ»

Інститут металофізики ім. Г.В.Курдюмова НАНУ — найбільший в Україні і Європі науковий центр фундаментальних досліджень у галузі фізики металів. У структурі інституту — 27 наукових відділів і 3 лабораторії, які працюють за чотирма науковими напрямами: фізика міцності й пластичності металів та сплавів; електронна структура та електронні властивості металів і сполук на їхній основі; нанорозмірні системи; атомна будова металів і гетероморфних систем на ­їхній основі.

Головна мета досліджень — пошук нових можливостей і шляхів створення унікальних металевих матеріалів з істотно поліпшеними фізичними властивостями, здатних працювати в складних спеціальних умовах, розробка на їхній основі принципово нових пристроїв для сучасної техніки. Із 1971 року в спеціалізованому кріогенному корпусі систематично одержують рідкий гелій (близько 100 л на годину), який використовують для розробок у галузі низькотемпературної ­металофізики, надпровідності й надпровідної електроніки. ІМФ має також окремий ізотопний корпус.