Nanostruktury krystaliczne

Transkrypt

1 Nanostruktury krystaliczne 1. Nanotechnologia na codzień 2. Prawo Moora i jego konsekwencje a) Więcej! Szybciej! Taniej! b) Wyzwania i problemy 3. Nanotechnologie a) CO? a) Studnie, druty, kropki b) JAK? a) Top-down, czyli (nano)technologia b) Bottom-up, czyli samoorganizacja c) Bio-technologia IBM 36 atomów kobaltu na podłożu z miedzi tworzy korale kwantowe. Elektrony na powierzchni miedzi oddziałują z atomem kobaltu umieszczonym w ognisku elipsy tworząc kwantowy miraż.

2 NanoTechnologia , a Nauka Inżynieria Technologia b a,b,c < 100 nm c

3 Nanotechnologia w kulturze

4 Nanotechnologia na codzień Motoryzacja (Hummer H2 sport utility truck) Budownictwo Samoczyszczący się beton Elektronika Wyświetlacze OLED Ubrania (Nano-Tex) Zdrowie (filtr krwinek) Kosmetyki Sport

5 Dlaczego XXI w? Parowóz dziejów mikro nano mili

6 Nanotechnologia Intel Quad-Core Penryn series (2008) tranzystorów technologia 45 nm Zegar max 3,33 GHz 9 warstw Moc ok. 65 W AMD Phenom X4 QUAD-Core (2008) tranzystorów technologia 65 nm. Zegar max 2,6 GHz 11 warstw Moc 95 W -140 W

7 Nanotechnologia Rozmiary Wirus Ebola 600 nm Średnica ludzkiego włosa nm Średnica krwinki czerwonej Dł. fali światła widzialnego Najnowszy tranzystor Intela nm Średnica DNA, nanorurek 2nm Rhinowirus 30 nm Ebola Promień Bohra 0.01 nm Źródło: 05-Processing_Technology

8 Dlaczego XXI w? Parowóz dziejów Przez ostatnie 40 lat na badania technologii krzemowej wydano bilion (ang. trillion) USD nano mikro mili

9 TRENDY: Pierwsze Prawo Moore a Ilość komponentów (tranzystory, połączenia, izolacje itd.) w IC podwaja się co około 18 miesięcy. Rozmiar liniowy komponentów również zmniejsza się wykładniczo w czasie. Te trendy nie mogą być kontynuowane w nieskończoność. Co zastąpi technologię Si? Z czego będzie wynikała ta zmiana technologii? EKONOMIA Źródło: Intel

10 Granice miniaturyzacji? Myślimy, że tranzystor jest zbudowany tak. 25 nm MOSFET Produkcja od ,2 nm MOSFET Produkcja??? Asen Asenov, Glasgow David Williams Hitachi-Cambridge IEEE Trans Electron Dev 50(9), 1837 (2003)

11 PROBLEM: Chłodzenie Gęstość mocy rośnie dramatycznie tranzystorów pracujących z częstością 1.5 GHz zużywa 130 W. Zakładając, że na tej samej powierzchni za jakiś czas będzie pracować 10 8 tranzystorów z częstością 10 GHz otrzymamy gęstość mocy na poziomie 10 kw/cm 2 (porównywalną gęstość mocy ma silnik rakietowy!)

12 Nanotechnologie CO? Studnie, druty, kropki JAK? Top-down, czyli (nano)technologia Bottom-up, czyli samoorganizacja

13 Hubert J. Krenner Struktury niskowymiarowe Low-dimensional Semiconductor Systems Studnie kwantowe Druty kwantowe Kropki kwantowe t 2D 1D 0D Dyskretna struktura elektronowa

14 MOCVD Studnia kwantowa E c t D(E) E 1 FUW Pasteura 7 E c E 0 MOCVD Osadzanie z atomową precyzją warstw o różnym składzie lub domieszkowaniu 2D E

15 Studnie Kwantowe Lasery półprzewodnikowe

16 Studnie Kwantowe Więcej:

17 Hubert J. Krenner Struktury niskowymiarowe Low-dimensional Semiconductor Systems Studnie kwantowe Druty kwantowe Kropki kwantowe t 2D 1D 0D Dyskretna struktura elektronowa

18 Druty

19 Druty

20 Druty

21 Druty

22 Druty

23 Druty

24 Druty

25 Druty

26 Druty Photo by Peidong Yang/UC Berkeley, courtesy of Science

27 Druty

28 Druty

29 Druty

30 Hubert J. Krenner Struktury niskowymiarowe Low-dimensional Semiconductor Systems Studnie kwantowe Druty kwantowe Kropki kwantowe t 2D 1D 0D Dyskretna struktura elektronowa

31 Quantum Dot 0 cgs 1 0 X e - Hubert J. Krenner Walter Schottky Institut and Physik Department E24, TU München

32 Hubert J. Krenner Wzrost kropek kwantowych EPITAXIAL LAYER (e.g. InAs) Energy SUBSTRATE (GaAs) Island formation Time TEM 0.25µm x 0.25µm Defect-free semiconductor clusters on a 2D quantum well wetting layer

33 GaN/AlGaN QD s Wzrost K. Pakuła, AFM - Rafał Bożek

34 Nanotechnologie CO? Studnie, druty, kropki JAK? Top-down, czyli (nano)technologia Bottom-up, czyli samoorganizacja

35 Nanotechnologie CO? Studnie, druty, kropki JAK? Top-down, czyli (nano)technologia Bottom-up, czyli samoorganizacja

36 Top-down Vincent Laforet/The New York Times

37 W jaki sposób produkowane są układy scalone? 1. Dominuje technologia krzemowa 2. Obecne układy ~ tranzystorów 3. Podłoża - 300mm, ~ 10 3 chipów 4. Fotolitografia, naświetlanie, trawienie etc 5. Typowo ~20 masek, kroków procesów

38 Nanotechnologia Maszyna do technologii Step-and-Repeat Aligner (Stepper) Źródło: 05-Processing_Technology

39 Nanotechnologia Maszyna do technologii Step-and-Repeat Aligner (Stepper) UV light source Shutter Alignment laser Shutter is closed during focus and alignment and removed during wafer exposure Reticle (may contain one or more die in the reticle field) Single field exposure, includes: focus, align, expose, step, and repeat process Projection lens (reduces the size of reticle field for presentation to the wafer surface) Wafer stage controls position of wafer in X, Y, Z, q Źródło: 05-Processing_Technology

40 Nanotechnologia Maszyna do technologii Step-and-Repeat Aligner (Stepper) Unexposed resist remains crosslinked and PAGs are inactive. UV Resist exposed to light dissolves in the developer chemical. Photoresist Oxide Substrate Exposed Unexposed PAG H + PAG PAG H + PAG PAG PAG PAG H + PAG PAG Pre-exposure + CA photoresist Acid-catalyzed reaction (during PEB) Post-exposure + CA photoresist Unchanged Post-develop + CA photoresist Źródło: 05-Processing_Technology

41 Nanotechnologia 1) STI etch 2) P-well implant 3) N-well implant 4) Poly gate etch 5) N + S/D implant 6) P + S/D implant 7) Oxide contact etch 8) Metal etch Resulting layers Cross section Top view Źródło: 05-Processing_Technology

42 Nanotechnologia Źródło: 05-Processing_Technology

43 Nanotechnologia 2006 Źródło: 05-Processing_Technology

44 Litografia Zdolność rozdzielcza (kryterium Rayleigha) W najmniejszy rozmiar dostępny w litografi, mikroskopii etc.

45 Nanotechnologia Maszyna do technologii Step-and-Repeat Aligner (Stepper) Źródło: Intel

46 Nanotechnologia Maszyna do technologii Step-and-Repeat Aligner (Stepper) Źródło: Intel

47 Nanotechnologia

48 Nanotechnologia

49 Litografia Imersyjna Zdolność rozdzielcza (kryterium Rayleigha) W najmniejszy rozmiar dostępny w litografi, mikroskopii etc.

50 Nanotechnologia Intel, 2003 Intel 2005 Litografia 90nm 65nm 45nm 32nm Produkcja

51 Natężenie Nanotechnologia l Położenie

52 Natężenie Nanotechnologia k 1 l Położenie

53 Nanotechnologia OPC Optical Proximity Corrections

54 Nanotechnologia

55 Nanotechnologia OPC Optical Proximity Corrections

56 Nanotechnologia OPC Optical Proximity Corrections

57 Nanotechnologia

58 Litografia Imersyjna

59 Litografia Imersyjna Zdolność rozdzielcza (kryterium Rayleigha) W najmniejszy rozmiar dostępny w litografi, mikroskopii etc. Airy disks

60 Litografia Imersyjna

61 Litografia Imersyjna

62 Litografia Imersyjna

63 Litografia Imersyjna

64 Inne

65 Litografia 3D Lasery ekscymerowe Electron-microscope image of the world's smallest guitar, based roughly on the design for the Fender Stratocaster, a popular electric guitar. Its length is 10 millionths of a meter-- approximately the size of a red blood cell and about 1/20th the width of a single human hair. Its strings have a width of about 50 billionths of a meter (the size of approximately 100 atoms). Plucking the tiny strings would produce a high-pitched sound at the inaudible frequency of approximately 10 megahertz. Made by Cornell researchers with a single silicon crystal, this tiny guitar is a playful example of nanotechnology, in which scientists are building machines and structures on the scale of billionths of a meter to perform useful technological functions and study processes at the submicroscopic level. (Image courtesy Dustin W. Carr and Harold G. Craighead, Cornell.)

66 Litografia 3D hn = E e E 0 Photonic Crystals:Periodic Surprises in Electromagnetism Steven G. Johnson MIT 2 2-photon probability ~ (light intensity) 2 hn hn N-photon probability ~ (light intensity) N photon photon 3d Lithography Atom lens dissolve unchanged stuff (or vice versa) some chemistry (polymerization)

67 Litografia 3D [ S. Kawata et al., Nature 412, 697 (2001) ] l = 780nm resolution = 150nm 7µm (3 hours to make) 2µm

68 Badania na Hożej Focus Ion Beam Dr Marta Gryglas Dr Agata Drabińska JEM-9320 Focused Ion Beam System

69 Nanotubes as molecular quantum wires

70 Nanotechnologie CO? Studnie, druty, kropki JAK? Top-down, czyli (nano)technologia Bottom-up, czyli samoorganizacja