Исследователи из IBM Research создают самую миниатюрную в мире трехмерную карту; делают процесс создания объектов наномасштаба менее дорогостоящим и более простым

Как сообщается в научных журналах Science и Advanced Materials, с целью демонстрации уникальных возможностей нового метода команда исследователей создала несколько трехмерных и двухмерных изображений, использовав для каждого из них разные вещества:

• 25-нанометровая трехмерная копия, которая изображает в масштабе 1:5 млрд.** знаменитую гору Маттерхорн в Альпах высотой 4478 метров (14692 фута), была создана в молекулярном стекле.
• Полная трехмерная карта мира размером всего 22 на 11 микрон была «нарисована» на полимере. При таких размерах 1000 подобных карт мира могут поместиться в одной крупинке соли. На этой миниатюрной карте высотная отметка в тысячу метров соответствуют приблизительно восьми нанометрам. Изображение сформировано из 500000 пикселей; площадь каждого пикселя составляет 20 квадратных нанометров. Карта была создана всего за 2 минуты и 23 секунды.   
• Двухмерное наноразмерное изображение логотипа IBM было «протравлено» в кристалле кремния на глубину 400 нанометров. Этот пример демонстрирует жизнеспособность метода для типовых нанопроизводственных процессов.
• Двухмерное изображение с высоким разрешением сплошной линии толщиной 15 нанометров. 

Наука следует за техникой

Основной компонент новой методики, разработанной группой ученых из IBM – миниатюрный, чрезвычайно тонкий кремниевый наконечник (игла) щупа длиной 500 нанометров и толщиной кончика всего несколько нанометров. 

«Успехи в развитии нанотехнологий тесно связаны с наличием высококачественных методов и инструментов для создания шаблонов изображений и объектов наномасштаба на поверхностях вещества, — поясняет физик д-р Армин Кнолл (Armin Knoll) из исследовательского центра IBM в Цюрихе (IBM Research – Zurich). — Обладающая широкой функциональностью и уникальной способностью построения трехмерных изображений, эта методология литографического формирования рисунка, основанная на сканирующей наноигле, является мощным инструментом для создания сверхмалых структур».

Игла щупа, схожая с теми, которые используются в атомно-силовых микроскопах, прикрепляется к гибкому кронштейну, который в управляемом режиме сканирует поверхность вещества подложки с точностью одного нанометра – одной миллионной миллиметра. При нагревании или приложении внешней силы наноразмерная игла может «снимать» (удалять) слои вещества подложки по предварительно заданным шаблонам, работая как «нанофрезерный» станок сверхвысокой точности.

Подобно фрезерованию, можно снимать слои материала на определенную глубину, создавая сложные трехмерные структуры с нанометровой точностью путем модуляции приложенной силы или переадресации отдельных точек. Например, для создания трехмерной копии горы Маттерхорн было успешно удалено с подложки из молекулярного стекла 120 отдельных слоев вещества.

Сравнение с методом электроннолучевой литографии

Новая методика IBM обеспечивает разрешение до 15 нанометров, обладая, к тому же, потенциалом для достижения еще лучшей разрешающей способности. Используя существующие методы, такие как электроннолучевая литография***, становится все более проблематичным производить шаблоны изображений с разрешениями при размерах рабочего поля ниже 30 микрон – на этом уровне начинают действовать технические ограничения метода.

Более того, по сравнению с дорогостоящим инструментарием  электроннолучевой литографии, который требует нескольких этапов обработки и оборудования, способного с легкостью загромоздить всю лабораторию, малогабаритный инструмент, созданный учеными IBM – который помещается на обычном столе – обещает широкие возможности с точки зрения улучшения разрешающей способности, причем при затратах, составляющих от одной пятой до одной десятой стоимости метода электроннолучевой литографии, и при гораздо меньшей сложности. 

Еще одно преимущество методики, построенной на сканирующей «наноигле», состоит в способности определять и оценивать форму шаблона с помощью той же самой иглы, которая используется для формирования объемных изображений обрабатываемых структур – что и продемонстрировали ученые IBM в своих экспериментах.   

Области потенциального применения простираются от быстрого макетирования наноэлектронных КМОП-структур до создания прототипов оптических компонентов и мета-материалов, от производства трехмерных нанокорпускул до изготовления накладных шаблонов требуемой формы для «самосборки» объектов наномасштаба, таких как наностержни и нанотрубки.

Революционный прорыв в области материалов подложки

В двух научных публикациях ученые описывают свою новаторскую методологию формирования трехмерных наноизображений для двух разных, но чрезвычайно перспективных типов материала подложки: полимера, названного "polyphthalaldehyde" (полифталальдегид), и молекулярного стекла, подобного материалу подложки, который используется в традиционных процессах нанопроизводства (т.н. резисту). Выбор этих двух материалов стал ключевым фактором выдающейся эффективности и надежности нового метода.

В своих поисках подходящих и эффективных материалов подложки, ученые обратились к органическим материалам, которые могут быть применены в качестве резистов. В этих исследованиях они придерживались той же концепции, которая используется в современных полупроводниковых технологиях, что важно для будущей интеграции.

«В поиске материала подложки мы следовали принципу "make it or break it" (все или ничего), — поясняет Джим Хедрик (Jim Hedrick), ученый из исследовательского центра IBM в Альмадене (IBM Research – Almaden). — Нам нужно было найти и синтезировать вещества, которые образуют механически прочное стекло, и которые, к тому же, легко термически разлагаются на инертные летучие составляющие».

Молекулярное стекло, которое было использовано в эксперименте с изображением горы Маттерхорн, состоит из молекул, напоминающих снежинки, с размерами около одного нанометра и почти сферической формой. При температуре сканирующей иглы выше 330°C (626°F), водородные связи, удерживающие молекулы вместе, разрываются, молекулярные частички становятся летучими и удаляются с поверхности вещества. Отличительная особенность материала состоит в том, что молекулярное стекло с нанесенным шаблоном изображения может быть перенесено посредством стандартного метода гравирования травлением на, например, кремний, традиционный материал в полупроводниковой промышленности. В конце 1990-х годов ученый Мицуру Уэда (Mitsuru Ueda) из Университета Ямагата (Yamagata University) в Японии впервые предложил использовать молекулярное стекло в качестве фоторезиста высокого разрешения  (светочувствительного материала, затвердевающего под воздействием светового потока). Впоследствии молекулярное стекло разработал Крис Обер (Chris Ober) из Корнеллского университета (Cornell University).

Наноразмерная трехмерная карта мира была создана в полимере под названием полифталальдегид, который первоначально был разработан «почетным сотрудником IBM» (IBM Fellow) Хироши Ито (Hiroshi Ito) в 1980-е годы. Под воздействием повышенных температур компоненты это цепеобразной органической молекулы «освобождаются» от связей, удерживающих их в составе молекулы, и становятся летучими. Этот самоусиливающийся процесс вызывает распад молекулы и, затем, ускоряет процесс формирования изображения, делая это с быстротой, которая превышает даже механические перемещения сканирующей иглы.

IBM и нанотехнологии

IBM является пионером в области нанонауки и нанотехнологий, которые родились вместе с разработкой Гердом Биннигом (Gerd Binnig) и Генрихом Рорером (Heinrich Rohrer) сканирующего туннельного микроскопа (STM) в лаборатории IBM Zurich Research Lab в 1981 году. За это изобретение, которое сделало возможным визуализацию отдельных атомов и, позднее, манипуляции с ними, Герд Бинниг и Генрих Рорер получили в 1986 году Нобелевскую премию по физике. Атомно-силовой микроскоп (AFM), «потомок» сканирующего туннельного микроскопа STM, был разработан Биннигом в том же 1986 году. Микроскоп STM широко признан в мире как инструмент, открывший дорогу в наномир.

Двадцать лет назад Дону Айглеру (Don Eigler), получившему престижный титул IBM Fellow, впервые в истории удалось продемонстрировать способность манипулировать отдельными атомами с точностью атомарного уровня. Использовав сканирующий туннельный микроскоп, он составил из 35 атомов ксенона буквы "I-B-M".

Этот научный прорыв заложил прочную основу для дальнейших исследований IBM в области нанотехнологий. В настоящее время на территории исследовательского центра IBM в Цюрихе (IBM Research – Zurich) создается новая лаборатория мирового класса для международного научного сотрудничества в сфере нанонаук. Этот сверхсовременный центр перспективных нанотехнологий, который планируется открыть в мае 2011 года, является частью стратегического партнерства в области нанотехнологий между IBM Research и ETH Zurich (Федеральной политехнической школой Цюриха, которая считается одним из ведущих технических университетов в Европе).

*Приняв средний размер крупинки соли за 0,3 мм, вдоль ее диаметра можно разместить 1000 карт.

**Один нанометр по высоте изображения соответствует 57 метрам реальной высоты горы.

***Данный метод основан на избирательном облучении поверхности вещества пучком электронов, в результате чего формируется экспонированный слой, называемый резистом. Резист служит в качестве шаблона для переноса изображений в различные материалы, например, в кремний, посредством гравирования травлением. Этот метод является одним из наиболее универсальных и распространенных сегодня технологий, однако он очень сложен и дорог.

Научные публикации

Научная статья, озаглавленная "Nanoscale 3D Patterning of Molecular Resists by Scanning Probes" («Формирование трехмерных изображений наномасштаба в молекулярных резистах с помощью сканирующих щупов»); авторы Д. Пирес (D. Pires), Дж. Л. Хедрик (J. L. Hedrick), А. де Силва (A. De Silva), Дж. Фроммер (J. Frommer), Б. Гостманн (B. Gotsmann), Х. Вульф (H. Wolf), Деспонт (M. Despont), У. Дюриг (U. Duerig) и А. Кнолл (A. W. Knoll); опубликована журналом Science на Web-сайте Science Express 22 апреля 2010 года; DOI: 10.1002/adma.200904386.

Научная статья, озаглавленная "Probe-based 3-D Nanolithography Using Self-Amplified Depolymerization Polymers" («Трехмерная нанолитография на основе сканирующего щупа, использующая полимеры с самоусиливающейся деполимеризацией»); авторы А. Кнолл (A. W. Knoll), Д. Пирес (D. Pires), О. Кулембир (O. Coulembier), П. Дюбуа (P. Dubois), Дж. Л. Хедрик (J. L. Hedrick), Дж. Фроммер (J. Frommer) и У. Дюриг (U. Duerig); опубликована журналом Advanced Materials 22 апреля 2010 года в виде расширенной онлайн-версии.