ليتوگرافي
•
توسعة نانوفناوري بستگي به توان محققان در توليد کارآمد ساختارهايي
با ابعاد کمتر از 100 نانومتر (کمتر از يک هزارم قطر موي
انسان) دارد.
• فوتوليتوگرافي، فناورياي است که هماکنون براي ساخت مدار
روي ميکروچيپها به کار گرفته ميشود. کاربرد اين فناوري را ميتوان به توليد
نانوساختارها تعميم داد، ولي تغييرات لازم بسيار گران و از نظر
تکنيکي دشوارند.
• روشهاي ساخت سيستمهاي نانومتري دو دستهاند: بالا به پايين که با کندن مولکولها از سطح ماده صورت ميگيرد و پايين به بالا که با نشاندن اتمها و مولکولها در کنار هم
ساختار نانويي به وجود ميآورد.
• ليتوگرافي نرم و ليتوگرافي قلمي دو مثال از روشهاي مربوط به
بالا به پايين هستند. محققان با استفاده از روشهاي پايين به بالا در حال
ساخت نقاطي کوانتومي هستند که ميتوانند به عنوان رنگهاي
بيولوژيک به کار روند.
يادتان هست آخرين بار کِي رايانهتان را ارتقا
دادهايد يا به جاي رايانة کُندِ قديمي، رايانة جديدي گرفتهايد؟ اگر سرعت
پردازندهها را بر اساس سالي که اولينبار به بازار عرضه شدند يادداشت کنيد، شما هم ميتوانيد با رسم يک نمودار در کاغذ نيملگاريتمي،
به کشفِ دوبارة «قانون مور» نائل آييد! قانون مور نشان ميدهد که از سال
1970 تا کنون، سرعت پردازندهها هر 18 ماه دو برابر شده است.
سرعت يک پردازنده ارتباط مستقيمي با تعداد ترانزيستورهاي بهکاررفته
در مدار مجتمع آن دارد. فکر ميکنيد اندازة پردازندة سريعِ امروزِ شما از
پردازندة کُندِ سه سال پيش بزرگتر است؟ مسلم است که نه! علت اين رشد سرسامآور،
پيشرفت فناوري و قابليت دسترسي بشر به توان طراحي و گنجاندن تعداد بيشتري ترانزيستور
در واحد سطح است. اين رقم براي پردازندههاي امروزي به بيشتر از 10 ميليارد
ترانزيستور در يک سانتيمتر مربع ميرسد. ميتوانيد طول يک ترانزيستور را تخمين بزنيد؟
اگر به عدد 100 نانومتر رسيدهايد، محاسبة شما درست است. اما 100 نانومتر
طول رشتهاي است که فقط از 500 اتم سيليکون تشکيل شده باشد. با اين اطلاعات فکر ميکنيد آيا باز هم بشر
قادر است به اين رشد سريع ادامه دهد؟
اگر بخواهيم به همين ترتيب پيش برويم، تا سال 2010 طول هر
ترانزيستور از 50 اتم و تا سال 2015 حتي از 5 اتم هم کمتر
خواهد شد. همين واقعيت است که ايدة ساختن نانوساختارها با ابعاد
چند اتم را هم براي دانشمندان و هم براي شرکتها بسيار جذاب کرده است.
روش معمول توليد
در سالهاي اخير دانشمندان روشهاي مختلفي براي ايجاد
نانوساختارها پيدا کردهاند، اما اين روشها در حال حاضر در مرحلة آزمونِ کارآيي و توانمندياند. «فُتوليتوگرافي»، فناورياي که
امروزه براي ساخت پردازندههاي رايانه و ميتوان گفت تمام
انواع مدارهاي مجتمع به کار گرفته ميشود، قابليت ارتقا براي توليد
ساختارهايي در ابعاد کمتر از 100 نانومتر دارد. اما انجام اين کار بسيار مشکل،
گران و پردردسر است. براي پيدا کردن روشهاي جايگزين، محققانِ ساخت سيستمهاي نانومتري, در حال بررسي هزاران ايده و صدها روش
هستند، تا شايد يکي از آنها جواب بدهد.
ابتدا به سراغ سودمنديها و کاستيهاي فُتوليتوگرافي ميرويم. توليدکنندگانِ مدارهاي مجتمع در دنيا از اين شيوة بسيار
کارآمد براي توليد بيش از 10 ميليارد ترانزيستور در هر ثانيه
استفاده ميکنند. ارزش توليدات صنعتي با استفاده از تنها اين يک
فناوري، به بيش از 140 ميليارد دلار در سال ميرسد. فُتوليتوگرافي در اصل تعميميافتة عکاسي
است. ابتدا چيزي شبيه نگاتيو عکاسي از شِماي مدار مجتمع تهيه
ميشود. اين نگاتيو ــ که در اينجا «ماسک» ناميده ميشود ــ براي تکثير طرح بر روي
هاديها و نيمههاديها به کار گرفته ميشود. تهية نگاتيو به سادگي عکاسي نيست، اما
با داشتن آن ميتوان بهراحتي هزاران نسخه تکثير کرد. بنابراين، روند کار به دو بخش اصلي تقسيم ميشود:
اول تهية ماسک (که ميتواند کُند و هزينهبر باشد)، و دوم استفاده از ماسک
براي تهية نسخههاي بعدي (که بايد سريع و ارزان باشد).
براي توليد ماسکِ يک قطعة رايانهاي، ابتدا شِماي مدار در مقياس بهنسبت بزرگ طراحي ميشود. سپس اين طرح به صورت لاية نازکي از فلز
(اغلب کُروم) روي صفحة شفافي (اغلب شيشه يا سيليکون) درميآيد که در مجموع به آن
«ويفر» گفته ميشود.
سپس فُتوليتوگرافي، در فرآيندي شبيه آنچه در تاريکخانة عکاسي اتفاق
ميافتد، ابعاد طرح را کوچک ميکند. براي اين کار يک دسته پرتو نور (اغلب
نور فرابنفشِ يک لامپ جيوه) از ماسک عبور ميکند و با
استفاده از يک عدسي، تصويري روي سطح سيليکون تشکيل ميدهد. روي
سيليکون با لايهاي از جنس پليمرهاي آلي حساس به نور (فُتورِزيست) پوشانده شده است. قسمتهايي که
نور ديدهاند در فرآيند تثبيت حذف ميشوند و طرحي معادل طرح اوليه روي سطح
سيليکون پديدار ميشود.
سؤال اين است: چرا از فُتوليتوگرافي براي توليد
نانوساختارها استفاده نکنيم؟ دو محدوديت در مقابل اين فناوري وجود دارد.
اول اينکه کوچکترين طول موج فرابنفشي که در فرآيند توليد استفاده ميشود 250
نانومتر است. سعي در تهية ساختارهاي با ابعاد کمتر از اين طول موج، مانند سعي در خواندن نوشتههاي بسيار ريز است. پديدة «پراش»
باعث محو شدن نوشتهها ميشود.
|
اگر تا کنون پديدة پراش را نديدهايد کافي است از شکاف لابهلاي انگشتان دستتان به يک لامپ مهتابي نگاه کنيد. نوارهاي تيره و روشني که ميبينيد خاصيت موجي نور و پراشيده شدن آن را نشان ميدهد. اپلت ذيل پديده پراش را نشان میدهد برای دیدن ان نیاز به نصب برنامه جاوا دارید.
|
پيشرفتهاي تکنيکي مختلف، محدوديتهاي فُتوليتوگرافي را کمي عقب
راندهاند. کوچکترين ساختارهايي که توليد انبوه شدهاند، ابعادي در حدود 100
نانومتر دارند. با اين حال، اين ابعاد هنوز براي دستيابي به بسياري خواص جالب
نانوساختارها به اندازة کافي کوچک نيستند.
محدوديت دوم هم پيامد محدوديت اول است. چون از نظر تکنيکي توليد اين ساختارها با نور بسيار دشوار است، انجام اين کار
بسيار گران تمام ميشود. ابزارهاي ليتوگرافي که براي ساخت عناصري با ابعاد کمتر از 100 نانومتر به کار ميروند هر کدام 10
تا 100 ميليون دلار ــ يعني در حدود 10 تا 100 ميليارد تومان ــ قيمت دارند.
صرف اين هزينه شايد براي توليدکنندگان منطقي نباشد، اما براي فيزيکدانها، زيستشناسان،
مهندسان مواد و شيميدانها که براي بررسي خواص سيستمهاي نانومتري به
توليد ساختارهاي با طراحي خودشان نياز دارند، ضروري است.
نمونه هايي از نانوليتوگرافي، به مقياسها دقت کنيد.
نانوچيپهاي آينده
صنعت الکترونيک به طور جدي به دنبال پياده کردن روشهاي جديد ساخت سيستمهاي نانومتري است تا بتواند به روند ساختن
ابزارهاي کوچکتر، سريعتر و ارزانتر ادامه دهد. طبيعي است که در قدم اول
بايد تلاش کنيم تا روشهاي موجود براي ميکروالکترونيک را به
نانوالکترونيک تعميم دهيم. اما همانطور که گفتم، استفاده از روش
معمولِ فُتوليتوگرافي در ابعاد ريزتر، بسيار دشوارتر است. به همين علت، توليدکنندگان قعطات رايانه به
دنبال فناوريهاي جايگزين براي ساخت نانوچيپها در آينده هستند.
ليتوگرافي پرتو الکتروني، يکي از جايگزينهاي پيش رو است. در اين روش، طرح مدار با استفاده از پرتو الکترون روي لاية
نازکي از پليمر نوشته ميشود. پرتو الکترون در ابعاد اتمي
پراشيده نميشود، بنابراين لبههاي طرح ديگر ناخوانا نيستند.
محققان از اين روش براي ترسيم خطوطي با پهناي چند نانومتر روي سطح سيليکون آغشته به فوتورِزيست استفاده کردهاند. با اين حال،
ابزارهاي پرتو الکتروني که امروزه وجود دارند، براي توليد
انبوه در صنعت مناسب نيستند. زيرا اين روش کُند است؛ کاري شبيه
نسخهبرداري از روي يک نوشته با دست.
اگر الکترونها جوابگو نيستند، پس چه بايد کرد؟ يک جواب
ديگر، استفاده از اشعة ايکس با طول موجي بين 1/0 تا 10 نانومتر
يا نور فرافرابنفش با طول موج بين 10 تا 70 نانومتر است. کوچکتر بودن طول موج اين نورها از طول موج
نور فرابنفش که اينک در فُتوليتوگرافي استفاده ميشود، تأثير
پراش را کمتر ميکند. با اين حال، اين فناوريها هم مشکلات خاص خودشان را دارند.
عدسيهاي معمولي نور در برابر نور فرا ـ فرابنفش ديگر شفاف نيستند و اشعة ايکس را
متمرکز نميکنند. در عين حال، انرژي زيادِ اين پرتوها بهسرعت به مواد تشکيلدهندة
ماسک و عدسيها آسيب ميرساند. اما صنعت ميکروالکترونيک، ترجيح
ميدهد از تعميم روشهاي موجود براي توليد نانوچيپها استفاده کند. بنابراين،
اين روشها به طور جدي در حال توسعهاند. بعضي از اين روشها ــ مثلاً استفاده
از فُتوليتوگرافي پيشرفتة فرا ـ فرابنفش براي ساخت مدار مجتمع ــ ممکن است به
روشهاي پررونق تجاري تبديل شوند. با اين حال، با اين روشها نانوچيپهاي ارزان ساخته
نميشوند و نميتوان نانوفناوري را در دسترس تعداد بيشتري از مهندسان و دانشمندان
قرار داد.
نياز به سيستمهاي سادهتر و ارزانترِ ساخت ابزار نانومتري، دانشمندان
را به جستوجوي روشهايي متفاوت از آنچه در صنعت الکترونيک به کار ميرود،
ترغيب کرده است. «ليتوگرافي نرم» يکي از اين روشهاست که بيشتر شبيه ساختن يک مهر
لاستيکي از طرح مدار و چاپ آن با تماس مکانيکي است. روش ديگر که از ميکروسکوپ
نيروي اتمي استفاده ميکند «ليتوگرافي قلمي» نام دارد که شبيه نوشتن با
جوهر و پرِ قو است. دستة ديگري از روشها که به روشهاي «پايين به بالا» معروفاند،
با رويکردي بهکل متفاوت به توليد نانوساختارها ميپردازند. در اين روشها اتمها
يکبهيک در کنار هم قرار ميگيرند تا ساختار مورد نظر ما را تشکيل دهند. در
مقالههاي بعدي به شرح مفصلترِ اين روشها ميپردازيم.