IBM: новый метод трехмерной микроскопии в помощь наноразработкам

26 апреля 2010, 19:34

Ученые корпорации IBM создали трехмерную карту Земли, такую миниатюрную, что 1000 этих карт может поместиться в крупинке соли. Ученым удалось достичь этого с помощью новой революционной методики, использующей миниатюрный кремниевый щуп с острым наконечником-иглой, который в 100000 раз меньше заточенного карандаша, для создания шаблонов изображений и структур масштаба 15-ти нанометров с меньшими затратами и сложностями. Этот метод формирования изображений открывает новые возможности для разработки объектов наномасштаба в такой области как перспективные технологии производства микросхем и электронной аппаратуры, а также в сферах медицины, бионаук и оптоэлектроники.

Созданное в IBM Labs устройство для работы на наноуровне

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 1:5.000.000.000 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.

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.

Полученная карта мира

Микроскопическая карта мира

«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.

Микроскопическая модель горы Маттерхорн

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.

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.

Ранее редакция THG рассказывала о работе исследовательских подразделений IBM Research, расположенных по всему миру. Нам представилась возможность поговорить о восьми наиболее обещающих исследованиях в сфере информационных технологий, которыми занимаются учёные IBM. Некоторые из них должны реализоваться на практике в ближайшие годы, другие нацелены на более дальнюю перспективу.