Нанонауки. Невидимая революция - Жоаким Кристиан

Времени-то прошло всего ничего, а какое продвижение! И сколько новшеств! И каких! Правда, если честно, то ни единое из этих новшеств не поменяло ни принципов функционирования транзистора, ни способов производства интегральных схем. И сегодняшние микросхемы изготавливаются теми же методами маскировки и гравировки — их окрестили литографией, — которыми по большому счету воспользовался Джоуль, когда ему понадобилось проградуировать свой сверхточный термометр. Только Джоуль резал воск острым ножом, а теперь гравируют лучом света. Оптическая литография (она же — фотолитография) состоит в том, что свет проходит через маску и освещает светочувствительную смолу, нанесенную тонким слоем на кремниевую пластинку. Маска — это трафарет, непрозрачные участки которого оберегают те места на кремниевой пластинке, которые не должны освещаться; так что свет воспроизводит на смоле узор маски — рисунок электронной схемы с ее транзисторами и другими деталями, включая металлические дорожки, служащие соединительными проводниками.

Поскольку маска прилегает к смоле не слишком плотно, а находится на каком-то удалении от нее, воспроизводимый на слое смолы узор получается несколько размытым — дорожки, например, выходят более широкими, чем на самой маске. А транзисторы нужны маленькие — чем меньше, тем лучше. Чтобы сфокусировать луч света (и получить дорожку поуже), применяют оптические линзы — вроде известных увеличительных или зажигательных стекол, фокусирующих солнечные лучи. Благодаря линзам, узор на маске можно делать большим по размеру и, значит, более точным и с большими подробностями (линзы все равно сделают его маленьким, таким, как потребуется — или удастся). После облучения смолу удаляют, и облученные участки кремния становятся задуманной микросхемой, со всеми ее транзисторами и прочими компонентами. Для удаления смолы кремний промывают кислотой — так же как Джоуль удалял со стекла пчелиный воск. Но точность операций теперь много выше. Если Джоуль своим ножом наносил риски длиной 50 мкм (то есть 50 тыс. нанометров), то в конце 1960-х фотолитография обеспечивала стократно лучшую точность, позволяя «нарисовать» транзистор в квадрате со стороной в 10 000 нм. В 2006 году промежуток между входом и выходом транзистора составляло всего 90 нм: иначе говоря, на пятнышке размером с ноготь теперь умещается более 80 миллионов транзисторов! В 2007 году появились интегральные схемы с расстоянием между входным и выходным выводами транзистора 65 нм, а в 2008 году этот показатель обещают сократить до 45 нм. Эти транзисторы уже в сто раз меньше красного кровяного тельца!

ИГОЛКА В СТОГЕ СЕНА

Ключевая роль в этой головокружительной миниатюризации принадлежит фотолитографии. Эта технология похожа на рисование тонюсенькой кисточкой, которой можно вычерчивать самые меленькие узоры. А чем тоньше линии этих узоров, тем тоньше гравировка на поверхности полупроводника, и добиваться «утонченности» можно, уменьшая длину волны используемого света. Разрешение — так называется наименьшее расстояние между двумя соседними (разными и потому различимыми) точками на схеме — определяется как раз этой длиной волны. Чем она короче, тем тоньше могут быть воспроизводимые узоры и тем лучше будет разрешение. Сначала полупроводник освещали видимым светом (длина волны от 400 до 800 нм), затем ультрафиолетовыми лучами (350–450 нм), потом жестким ультрафиолетом (220–310 нм), а теперь применяют лучи с длиной волны в 193 нм. Сегодня (с транзисторами величиной порядка 45 нм) предполагается применить иммерсионную фотолитографию. «Иммерсия» значит погружение — в этом случае кремний покрывается жидкостью; с поверхности кремния маска покажется увеличенной — жидкость действует как дополнительная линза, и поэтому можно использовать ту же длину волны для формирования транзисторов меньшего размера.

Но что делать уже на следующем этапе (транзисторы величиной 32 нм), инженеры не знают. Можно бы опять уменьшить длину волны, но это потребует фотолитографии, способной работать в диапазоне крайнего ультрафиолета (длина волны 13,5 нм). Иначе говоря, понадобится сверхмудреная и соответственно очень дорогая оптика, чтобы фокусировать такие лучи и освещать ими поверхность полупроводника. Волны еще короче — это уже рентгеновское излучение: казалось бы, здорово — волны длиной порядка 1 нм. Но для таких коротких волн все прозрачно — из чего тогда делать маску? А оптику? Что это за линзы должны быть, чтобы управляться со столь коротковолновым — и жестким, то есть разрушающим вещество, особенно живое, — излучением?

Вместо рентгеновских лучей можно бы использовать пучки электронов: если электроны как следует разогнать, то длины волн тоже могут быть сколь угодно малыми. Электронная литография известна с 1960 года, тогда Готфрид Молленштедт в Тюбингенском университете в Германии воспользовался потоком электронов вроде тех, что применяются в электронных микроскопах, чтобы нанести на поверхность смолы тоненькие риски: он сумел нарисовать логотип своего университета штрихами длиной порядка 100 нм. Происходит, в сущности, то же самое, что и в оптической литографии: на полимерную пленку обрушивается поток электронов, и в пленке происходят химические изменения. Чтобы обнаружить эту перемену, достаточно обработать пленку растворителем — облученные участки смоются, те же, что не подвергались облучению, уцелеют, и, значит, появится задуманный узор. Пока что электронная литография применяется в производстве масок для фотолитографии, а в продвинутых исследовательских лабораториях и для изготовления самых маленьких транзисторов в мире — с расстояниями между входом и выходом в 20, 15 и даже 9 нм! Словом, пресловутая иголка в стоге сена! Причем сами эти транзисторы не остаются на поверхности полупроводника, а норовят вырасти над нею — получается что-то вроде россыпи грибов. Кучка таких новых транзисторов похожа (под микроскопом) на скопление лисичек или шампиньонов.

ВОТ И ПРЕДЕЛ

Но и этого мало — ученые просто жаждут изготавливать все меньшие и меньшие транзисторы. Хорошо бы, чтобы эти малюсенькие штучки еще и работали, сразу и надежно. Но чем больше транзисторов получалось за раз на одной пластинке, тем большая доля из их выводка оказывалась заведомо негодной — как говорится, вероятность дефектности возрастала. Инженерам не оставалось ничего другого, как пустить в дело сокровища ноу-хау и изобрести множество хитроумных технических уловок, чтобы обойти или перескочить препоны, мешавшие дальнейшей миниатюризации.

Среди прочих затруднений сильно докучала необходимость соединять транзисторы друг с другом. Если применять металлические проводники, то уже сегодня на 1 см2 полупроводниковой поверхности надо было бы как-то разместить 6 км медных или золотых «проводков», точнее, дорожек. По мере продвижения миниатюризации соединительные дорожки, формировавшиеся из алюминия, стали такими тонкими, что электронная волна (а электрический ток — это поток электронов) просто сносила атомы алюминия с насиженных мест и уносила их с собой. Атомы проводника становились блуждающими — и потому это явление называется электромиграцией. К тому же получать сверхчистый металл, например алюминий, трудно: в нити диаметром в нанометры и длиной в километры обязательно встретятся какие-то загрязненные участки, да и сама нить будет не сплошным кристаллом, а цепочкой металлических зерен. Значит, сопротивление электрическому току будет на разных участках нити неодинаковым — словно на границах между зернами и там, где есть включения иных химических элементов, кто-то установил резисторы. Электрическое поле будет особенно агрессивным на таких неоднородных участках, а если вымытых атомов станет слишком много, то в металлической дорожке появится не просто неоднородность, но пробел и ток не сможет течь. Иначе говоря, дорожка порвется. Справиться с электромиграцией удалось в 2001 году: алюминий заменили медью[11], которая не так подвержена электромиграции и вдобавок лучше проводит электрический ток. Иначе говоря, эта замена (для которой потребовалось 15 лет исследований и экспериментов) еще и сильно ускорила перемещение электронов внутри интегральных схем.