Nanostruktury krystaliczne

Nanostruktury krystaliczne Jacek.Szczytko@fuw.edu.pl http://www.fuw.edu.pl/~szczytko/nt 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.

NanoTechnologia 10-9 0,000 000 001 a Nauka Inżynieria Technologia b a,b,c < 100 nm c

Nanotechnologia w kulturze

Nanotechnologia na codzień Motoryzacja (Hummer H2 sport utility truck) Budownictwo Samoczyszczący się beton Elektronika Wyświetlacze OLED Ubrania (Nano-Tex) Zdrowie (filtr krwinek) Kosmetyki Sport www.sts.utexas.edu/projects/nanomodules/

Dlaczego XXI w? Parowóz dziejów mikro nano mili

Nanotechnologia Intel Quad-Core Penryn series (2008) 800 000 000 tranzystorów technologia 45 nm Zegar max 3,33 GHz 9 warstw Moc ok. 65 W AMD Phenom X4 QUAD-Core (2008) 450 000 000 tranzystorów technologia 65 nm. Zegar max 2,6 GHz 11 warstw Moc 95 W -140 W

Nanotechnologia Rozmiary Wirus Ebola 600 nm Średnica ludzkiego włosa 100 000 nm Średnica krwinki czerwonej Dł. fali światła widzialnego Najnowszy tranzystor Intela 90 35 20 15 nm Średnica DNA, nanorurek 2nm Rhinowirus 30 nm Ebola http://www.brettrussell.com/personal/ebola.html Promień Bohra 0.01 nm Źródło: www.usna.edu/ee/ee452/lecturenotes/ 05-Processing_Technology

Dlaczego XXI w? Parowóz dziejów Przez ostatnie 40 lat na badania technologii krzemowej wydano bilion (ang. trillion) 10 12 USD nano mikro mili

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

Granice miniaturyzacji? Myślimy, że tranzystor jest zbudowany tak. 25 nm MOSFET Produkcja od 2008 4,2 nm MOSFET Produkcja??? Asen Asenov, Glasgow David Williams Hitachi-Cambridge IEEE Trans Electron Dev 50(9), 1837 (2003)

PROBLEM: Chłodzenie Gęstość mocy rośnie dramatycznie. 10 7 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!)

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

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

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

Studnie Kwantowe Lasery półprzewodnikowe

Studnie Kwantowe Więcej: http://britneyspears.ac/lasers.htm

Druty http://gams.cam.nist.gov/hpcc/physics/nano.html http://www.photonics.com/spectra/research/xq/asp/preaid.82/qx/read.htm

Druty www.ece.odu.edu/g_seminar.htm http://www.mpi-halle.mpg.de/~mbe/ Photo by Peidong Yang/UC Berkeley, courtesy of Science

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

Hubert J. Krenner Wzrost kropek kwantowych EPITAXIAL LAYER (e.g. InAs) Energy 2 12 1 SUBSTRATE (GaAs) Island formation Time TEM 0.25µm x 0.25µm Defect-free semiconductor clusters on a 2D quantum well wetting layer

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

Top-down Vincent Laforet/The New York Times

W jaki sposób produkowane są układy scalone? 1. Dominuje technologia krzemowa 2. Obecne układy ~ 10 9-10 10 tranzystorów 3. Podłoża - 300mm, ~ 10 3 chipów 4. Fotolitografia, naświetlanie, trawienie etc 5. Typowo ~20 masek, 150-200 kroków procesów

Nanotechnologia Maszyna do technologii Step-and-Repeat Aligner (Stepper) Źródło: www.usna.edu/ee/ee452/lecturenotes/ 05-Processing_Technology

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: www.usna.edu/ee/ee452/lecturenotes/ 05-Processing_Technology

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: www.usna.edu/ee/ee452/lecturenotes/ 05-Processing_Technology

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 4 2 1 5 6 3 7 8 Cross section Top view Źródło: www.usna.edu/ee/ee452/lecturenotes/ 05-Processing_Technology

Nanotechnologia 1997 2006 Źródło: www.usna.edu/ee/ee452/lecturenotes/ 05-Processing_Technology

Nanotechnologia 2006 Źródło: www.usna.edu/ee/ee452/lecturenotes/ 05-Processing_Technology

http://www.microscopyu.com/ Litografia Zdolność rozdzielcza (kryterium Rayleigha) W najmniejszy rozmiar dostępny w litografi, mikroskopii etc.

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

Nanotechnologia

http://www.microscopy.fsu.edu/ Litografia Imersyjna Zdolność rozdzielcza (kryterium Rayleigha) W najmniejszy rozmiar dostępny w litografi, mikroskopii etc.

Nanotechnologia Intel, 2003 Intel 2005 Litografia 90nm 65nm 45nm 32nm Produkcja 2003 2005 2007 2009

Natężenie Nanotechnologia l Położenie

Natężenie Nanotechnologia k 1 l Położenie

Nanotechnologia OPC Optical Proximity Corrections

Nanotechnologia

Nanotechnologia OPC Optical Proximity Corrections

Nanotechnologia

Litografia Imersyjna

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

Litografia Imersyjna http://www.smalltimes.com/articles/stm_print_screen.cfm?article_id=260007

Litografia Imersyjna http://www.almaden.ibm.com/st/chemistry/lithography/immersion/resist_development/ http://www.microelectronics.be/wwwinter/mediacenter/en/sr2005/html/142296.html

Litografia Imersyjna

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.)

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)

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

Badania na Hożej Focus Ion Beam Dr Marta Gryglas Dr Agata Drabińska JEM-9320 Focused Ion Beam System http://www.norsam.com/

Nanotubes as molecular quantum wires