Инкубатор для нанотранзисторов

Киевским ученым удалось создать новые источники излучений, в том числе геликонный, при помощи которого можно получать объемную плазму и перемещать ее в камере.

В столичном Институте металлофизики им. Г.В.Кур­дюмова ученые создали установку, позволяющую выращивать наноразмерные объекты с заданными параметрами для современной электроники. В разработке заинтересованы украинские производственники, стремящиеся возродить в стране погибающую микроэлектронику. Однако внедрить новую, самую современную технологию пока не получается. Почему?

Рассказывает Эдуард Руденко, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий отделом сверхпроводниковой электроники Института металлофизики НАНУ.

— Нам удалось создать гибридную ионно-плазменную систему для получения нанообъектов. Это разрядная камера с двумя источниками излучений — геликонным и разрядно-дуговым. Камера имеет вакуумный цилиндр диаметром 300 мм, высотой 400 мм. Сверху расположены источник высокочастотного излучения и катушки, создающие магнитное поле. Сочетание двух источников — ВЧ и магнитного поля — и позволяет получить объемный, так называемый геликонный разряд. В результате в разрядной камере создаются стоячие волны из-за интерференции волн — прямых, испускаемых источником ВЧ, и обратных, отраженных от стенок камеры.

Кроме того, с обеих сторон в разрядную камеру врезаны два ионных ускорителя. В каждом из них есть свой источник нужного металла, например, хрома или никеля. Ионы металлов попадают в камеру перпендикулярно к ее оси, а затем под влиянием электромагнитного поля изменяют направление движения на 90 градусов — с горизонтального на вертикальное и по­падают на подложку-мишень, расположенную внизу камеры. На мишени образуется покрытие сложного состава, зависящее от металлов, размещенных в ионных ускорителях. Установка оснащена приборами, показывающими все параметры работы, необходимые для исследователя: глубину вакуума, температуру, силу тока и другое. Они тут же отображаются на дисплее компьютера. А при помощи смотрового окна можно визуально наблюдать за ходом процесса.

Свою идею мы реализовали благодаря сотрудничеству с Институтом ядерных исследований.

— В чем отличие такого плазменного ускорителя от других систем?

— В нем очень высокая плотность потока плазмы — на два порядка выше, чем в иных источниках. Поэтому скорость осаждения материала (металла или углерода) на мишени также намного выше. А без магнитного поля геликонный разряд отсутствует, и распределение плазмы в камере имеет совершенно другие характеристики — и объемные, и энергетические. Сочетая в одном устройстве высокочастотную плазму и ионный ускоритель, мы добились того, что поток ионов от этого ускорителя можно поворачивать в нужном направлении и нацеливать на мишень.

Мы обнаружили на установке интересные эффекты, связанные с объемными характеристиками плазмы, в соответствии с которыми наши физики сумели построить теорию такого процесса. Их выводы могут иметь широкое практическое применение. Кроме того, обнаружилось следующее явление: магнитное поле можно отрегулировать таким образом, что при запуске в камеру потока ионов какого-либо материала при помощи ионного ускорителя на подложку-мишень станут попадать ионы только «нужного» материала. А весь «мусор», посторонние примеси, всегда в небольших количествах присутствующие в любом сплаве, будут пролетать мимо нее.

Таким образом, мы можем получать на мишени пленки с высокой чистотой даже из не очень чистого исходного материала. А использование эффекта стоячих волн позволяет добиваться высокой точности осаждения его в нужных точках. Ионы металла встраиваются в структуру мишени, получается плотный, качественный слой, лучший, чем при обычном напылении. Скорость роста пленок — до 5 микрон в минуту, а это во много раз выше, чем при других способах. Можно делать оксидные, нитридные покрытия толщиной до 200 микрон. Причем подложка не разогревается, температура изделий при получении металлических покрытий остается в пределах 50оС вместо 400—800оС при других технологиях. Пучки в нашей установке имеют такую высокую энергию, что для них предварительно разогревать подложку не надо. Это очень важно для нанесения пленок металла на материалы, не любящие нагрева, например пластмассы.

Эксперимент показывает, что в созданном нами поле материал на мишени осаждается в основном равномерно. Но из-за того, что магнитное поле в камере образует стоячие волны, на мишени формируются особые бугорки, где осаждение металла идет интенсивнее. Они находятся друг от друга на расстоянии 20 нанометров и в дальнейшем их можно использовать как зоны роста для создания наноразмерных полупровод­никовых элементов. Такой плотности «упаковки» полупроводников пока еще вряд ли кто-нибудь достиг. И, что самое важное в данном случае, созданием бугорков можно управлять, задавая параметры ионных источников и геликонного разряда.

— Насколько я понял, в зависимости от частоты излучения меняются параметры стоячих волн, а значит, и расстояние между растущими бугорками?

— Частоту мы не можем варьировать, она имеет заданные промышленные параметры. Точки роста возникают под действием ионного пучка. Поэтому наша задача — не только доставить по адресу ионы металла, но и обеспечить, чтобы они имели высокую энергию. Это делается при помощи стоячих волн. Плотность плазмы у подложки возрастает в 5—6 раз. Одновременно производится чистка поверхности — легкоплавкие элементы улетают.

Геликонный источник излучения использует газ аргон-40. Раньше при экспериментах с применением ионных источников требовалось достичь достаточно глубокого вакуума: исследуемые образцы грели месяцами, откачивали воздух из камеры специальными насосами. Только тогда можно было наблюдать нужные явления. Нам достаточно иметь так называемый технический вакуум — на 4 порядка меньше.

Нанотрубки при комнатной температуре

— Одна из основных задач, которую мы перед собой ставили, — выращивание углеродных нанотрубок. Это протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и сотни нанометров в длину. Как известно из последних научных открытий, у таких структур совершенно уникальные свойства, в том числе электрические. Из них можно строить полупровод­никовые элементы и целые схемы. Сейчас это передовой фронт мировой науки, и во всем мире проводятся эксперименты по созданию на основе нанотрубок электронной техники нового поколения.

В общих словах наша технология выглядит так. Берется кремниевая подложка, на ней при помощи ионно-плазменной системы осаждается нитрид титана. Этот слой оказывается неравномерным, в нем возникают бугорки — зародыши наноструктур толщиной 20—40 нанометров — будущие точки роста. Затем включается второй ионный ускоритель, который «работает» с ионами железа и осаждает их на бугорки. А потом на них, распыляя углерод при помощи тех же ионных ускорителей, мы инициируем рост нанотрубок.

В научной литературе мы не встречали, чтобы нанотрубки были выращены без термической активации поверхности мишени при низкой, практически комнатной, температуре. Обычно используют значительный нагрев материала, получают нанокапли металла, которые попадают на мишень. Мы ушли от этого. Наша идея — не из куска металла выделить, вы­членить нечто маленькое, а наоборот — создавать, выращивать объемные структуры наноразмерного порядка. В ионизированном потоке для выращивания углеродных нанотрубок участвует инертный газ аргон плюс какой-нибудь углеродосодержащий газ — СН4, С2Н2, даже дихлор­этан С2Н4Cl2. На металлической подложке этот газ каталитически разлагается, освобождая чистый углерод, который и наращивает нанотрубки.

— Почему вы утверждаете, что на полученных «островках» будут расти именно углеродные нанотрубки, а не какие-то другие образования из углерода?

— Это проверено на опыте. При тех значениях параметров ускорителя, что мы задаем, получаются именно шестигранники, которые увязываются между собой в виде сетки и закольцовываются. Причем, изменяя энергию пучков ионизированных частиц, мы можем регулировать диаметр нанотрубок. Мы уже знаем, что при энергии 10 вольт на подложке образуются 20-нанометровые структуры, при напряжении 90 вольт — структуры диаметром 8—10 нанометров, а при 200 вольтах их диаметр будет 3—4 нанометра. Чем высокоэнергетичнее воздействие, тем меньше диаметр получаемых нанотрубок. При этом задействуется несколько физических механизмов, которые пока недостаточно изучены. Причем у нас для создания нанотрубок требуется не 5—8 часов, как в других технологиях, а всего 10—15 минут на весь цикл. Этот способ позволяет расширить зону применения ионно-плазменной системы, она совместима с любой ныне действующей плазменной технологией.

— Есть ли в мире аппаратура, основанная на таком принципе?

— Категорически отрицать было бы опрометчиво. Скажу так: технологических разработок мы не видели, как и публикаций на эту тему. Конечно, в мире существуют разные конструкции плазменных ускорителей. Но мы не встречали примеров их использования в данном направлении. И самое главное: совместное применение двух источников, геликонного и плазменно-дугового, — это наше ноу-хау. Одним источником мы активируем поверхность мишени, а другим приносим на нее нужный материал.

— Каковы перспективы работы с данной установкой?

— С ее помощью можно наносить сложные составы на пластмассу, металл, керамику. Установка делалась не только для фундаментальных исследований. Она создавалась под ряд конкретных задач, которые необходимо решить в современном производстве нано­электронных приборов. Нашим плазменным ускорителем заинтересовалось одно киевское предприятие, обратилось в профильное министерство, чтобы ему дали кредит в 300 тысяч гривен. На основе этой технологии мы совместно могли бы разработать такую наноэлектронику, которая позволила бы Украине не отставать от лучших мировых разработок. Но с министерством насчет денег пока договориться не удалось. В то же время результаты наших исследований вызвали большой интерес у научных центров других стран, в том числе и России. Мы получили ряд предложений о сотрудничестве.

Справка «УТГ»

Институт металлофизики им. Г.В.Курдюмова НАНУ — крупнейший в Украине и Европе научный центр фундаментальных исследований в области физики металлов. В структуре института — 27 научных отделов и 3 лаборатории, работающие по четырем научным направлениям: физика прочности и пластичности металлов и сплавов; электронная структура и электронные свойства металлов и соединений на их основе; наноразмерные системы; атомное строение металлов и гетероморфных систем на их основе.

Основная цель исследований – изыскание новых возможностей и путей создания уникальных металлических материалов с существенно улучшенными физическими свойствами, способных работать в сложных специальных условиях, разработка на их основе принципиально новых устройств для современной техники. С 1971 года в специализированном криогенном корпусе систематически получают жидкий гелий (около 100 л в час), который используют для разработок в области низкотемпературной металлофизики, сверхпроводимости и сверхпроводящей электроники. ИМФ имеет также отдельный изотопный корпус.