Вырастить микросхему

Очередной рубеж, «назначаемый» законом Мура каждому следующему поколению чипов, покоряется все труднее. Некоторые исследователи полагают, что наиболее эффективным способом производства станет использование «молекулярных самоорганизующихся структур», в которых микросхемы, по существу, выращивают сами себя

Концепция нанотехнологий знакома многим, хотя размеры, о которых идет речь, попросту не укладываются в голове. Легко понять, почему такая сверхминиатюризация вызывает большой интерес у производителей полупроводниковых устройств. Очередной рубеж, «назначаемый» законом Мура каждому следующему поколению чипов, покоряется все труднее.

Некоторые исследователи полагают, что наиболее эффективным способом производства станет использование «молекулярных самоорганизующихся структур», в которых микросхемы, по существу, выращивают сами себя. В IBM, Texas Instruments, Fujitsu и Hewlett-Packard работают над самоорганизующимися компонентами, которые можно объединять с традиционными кремниевыми чипами. В то же время менее известные фирмы, такие как ZettaCore и Cambrios Technologies, ставят цель полностью отказаться от использования кремния и создавать из молекул целые полупроводниковые устройства.

Но, как предупреждают эксперты, эта гонка скорее напоминает марафон, нежели спринт, и финиш ее состоится, как минимум, лет через двадцать.

Ученые уже доказали, что можно объединять самоорганизующиеся компоненты с традиционными технологиями производства полупроводниковых устройств. Другими словами, как считает Джек Улдрих, президент NanoVeritas Group и соавтор книги «Следующее значимое достижение будет действительно миниатюрным» (The Next Big Thing Is Really Small, Crown Business, 2003), чипы, которые по крайней мере частично состоят из самоорганизующихся компонентов, появятся в коммерческих компьютерах лет через пять—семь.

Естественные шаблоны

Самоорганизация — тенденция некоторых структур естественным образом принимать ту или иную форму — это одно из самых распространенных явлений природы. Так, например, определенные сочетания направления ветра, температуры и влажности воздуха ведут к формированию различных видов ураганов.

По сути, эти процессы отличаются от молекулярных только масштабом. Определенные молекулы образуют комбинацию без какого-либо постороннего вмешательства и предсказуемым образом. «Некоторые молекулы «узнают» друг друга и находят естественные низкоэнергетические состояния», — утверждает Грант Макгимпси, профессор биологии и директор Института биоинженерии Вустерского политехнического института (штат Массачусетс).

Популярный пример (который, как предполагается, сыграет заметную роль в производстве микросхем) — это SAM (self-assembling monolayer — «самоорганизующийся мономолекулярный слой»). При правильных условиях подложка и молекулы с длинными углеродными цепочками соединяются, формируя SAM.

«Относительно SAM совершенно ясно одно — слои очень хорошо упорядочены», — подчеркнул Макгимпси. Поле этих SAM, выступающих из подложки под определенным углом (как небольшой кусочек толстого, тщательно ухоженного газона), может служить нескольким целям, в частности способствовать улучшению проводимости или увеличивать площади поверхности. Такой порядок, по словам Макгимпси, означает предсказуемую структуру и, как следствие этого, предсказуемые свойства.

Сейчас управление самоорганизующимися молекулами, которые могли бы использоваться в полупроводниковых устройствах, ограничено лишь минимальным числом базовых структур. Однако ученые считают, что это достоинство, а не недостаток.

Из-за высокой стоимости оборудования в отрасли полупроводниковых устройств процессы меняются весьма неспешно. В силу этого внедрение самоорганизации при производстве интегрированных микросхем будет происходить очень медленно. Первые реализации будут простыми и не очень впечатляющими.

Например, IBM Research использует самоорганизацию для увеличения на 400% производительности высокоемкого «развязывающего» конденсатора, компонента интегральной схемы, который обеспечивает поддержку стабильного, без перепадов электропитания.

«Самоорганизующиеся материалы формируют очень простые шаблоны, — объяснил научный сотрудник лаборатории IBM Research Чак Блек. — Такие структуры можно сделать намного меньше, чем те, что получаются с помощью литографии, традиционной технологии производства микросхем».

Представители HP недавно рассказали о весьма амбициозных планах в отношении роли нанотехнологии в будущем. «Мы верим, что у нас появится практичная, всеобъемлющая стратегия создания электронных устройств, позволяющая выйти за границы мира электроники молекулярного размера», — заявил в марте директор HP Labs Стэн Вильямс. HP делает ставку на перекрестные массивы — способ, позволяющий заменить традиционные транзисторы на устройства, создаваемые с помощью нанесения между перекрещивающимися проводами переключаемого слоя толщиной всего в несколько атомов. Специалисты HP подчеркивают, что предстоит ответить еще на многие вопросы, прежде чем можно будет перейти к производству поперечных микросхем, но одна из возможностей сделать это — технология самоорганизации, при которой между парой электродов будут «выращиваться» кремниевые нанопровода.

Концепция массовой структуры, размеры которой исчисляются атомами, помогает объяснить, почему ученые воспринимают нанотехнологию как средство, способное дать новый импульс отрасли и гарантировать истинность закона Мура.

Самые совершенные из современных транзисторов имеют вентили длиной 90 нм. Корпорация Intel намерена к 2007 году выпустить транзисторы размером 45 нм. Это менее 1/5000 толщины булавочной головки — и огромная величина по сравнению с молекулой, размер которой около 1 нм.

В итоге, как считает Макгимпси, открываются огромные возможности по уменьшению размеров микросхем. «Если заменить все вентили современных полупроводниковых устройств атомами, то можно сократить размер микросхем в десятки тысяч раз и во столько же раз увеличить скорость», — заметил он.

Один из признаков того, что самоорганизацию начнут использовать в производстве уже через несколько лет, а не десятилетий, — это усилия, которые предпринимаются с тем, чтобы объединить эту методику с традиционной литографией. Например, одно из последних (и самых впечатляющих, по мнению Блека) открытий, сделанных в IBM, — это улучшение процессов, позволившее корпорации «подгонять», или подстраивать, самоорганизующиеся компоненты к тем, которые были созданы с помощью литографии. Традиционные микросхемы имеют около 30 литографических слоев, и точная их подгонка — одно из непременных условий внедрения технологии в производство. Это очень сложный процесс, который станет еще сложнее с уменьшением размеров микросхем. Таким образом, созданный в IBM способ подстраивать самоорганизующиеся компоненты — это, по словам Блека, «прорыв, который позволяет всерьез задуматься о создании гибридных микросхем».

Улдрих из NanoVeritas считает, что сложность производства кремниевых микросхем, размер которых постоянно уменьшается, и миллиарды долларов, инвестированные в мире в исследования нанотехнологий, ускоряют появление полнофункциональных самоорганизующихся чипов. «Такие устройства будут созданы, — подчеркнул Улдрих, — причем скорее, чем многие думают».

Рост атом по атому

Настоящий прорыв не так давно удалось совершить химикам из Северо-западного университета: они продемонстрировали возможность заставить наноразмерные стержни самостоятельно собираться в сложные структуры предсказуемой формы, такие как, например, показанная на иллюстрации сфера. Сами стержни изготовлены методом послойного помещения золота и электропроводящего полимера в микропоры трафарета из окиси алюминия. По завершении синтеза стержней шаблон растворяют, после чего те остаются размещенными параллельно друг другу, золотой полюс к золотому, полимерный к полимерному. Формировать плоские или объемные объекты их заставляет мощное взаимодействие между полимерными полюсами соседних стержней. Различные структуры можно получать, варьируя диаметр стержней и изменяя объемное соотношение полимерного сегмента к золотому. Кроме сфер, таким способом можно получать, в частности, плоские листы и трубки различного диаметра.

Ученые HP Labs сумели изготовить электропроводящую проволоку толщиной всего в 10 атомов методом испарения эрбия на поверхность кремниевой основы. Такие «выращенные» проводники смогут стать базой «поперечной» архитектуры, которую HP выдвигает в качестве альтернативы традиционной конструкции элементов микросхем. Созданный в компании элемент, который ее ученые назвали «поперечным триггером», состоит из двух параллельных управляющих проводников, пересекающих третий, сигнальный, под прямым углом. Один из управляющих проводников находится в электрическом контакте с сигнальным, другой — нет. Последовательность электрических импульсов, приложенная к управляющим проводникам, заставляет каждый из них изменить состояние контакта на противоположное, в результате чего вся структура выполняет операцию логического отрицания хранимого сигнала. Ранее также были построены наноразмерные элементы, способные выполнять логическое сложение и умножение.