Полупроводниковые и нанотехнологии

В научно-исследовательских лабораториях IBM, деятельность которых за последнее десятилетие кардинально изменила ситуацию в ИТ-отрасли, сегодня уже ведутся разработки новых методов и технологий на наноуровне.

Спустя двадцать лет после того, как два научных сотрудника корпорации IBM (www.ibm.com), Герд Бинниг и Генрих Рорер из исследовательской лаборатории в Цюрихе, были удостоены Нобелевской премии по физике за изобретение сканирующего туннельного микроскопа (Scanning Tunneling Microscope, STM), ученые и инженеры из подразделения IBM Research продолжают открывать новые горизонты в области нанотехнологий. За это время в исследовательских центрах IBM был совершен ряд основополагающих открытий.

1981 — изобретен сканирующий туннельный микроскоп STM, позволяющий наблюдать отдельные атомы и молекулы на электропроводящей поверхности.

1986 — ученые из IBM и Стэнфордского университета изобрели атомно-силовой микроскоп AFM, быстро ставший повседневным инструментом для визуализации общего назначения и манипуляций в нанометровой области.

1986 — научные сотрудники IBM Герд Биннинг и Генрих Рорер за изобретение сканирующего туннельного микроскопа стали лауреатами Нобелевской премии по физике.

1988 — зарегистрирован эффект эмиссии фотонов из локальных областей нанометрового размера, стимулируемых микроскопом STM. Это позволяет изучать в нанометровом масштабе явления люминесценции и флуоресценции.

1989 — сотрудник IBM Дон Эйглер впервые в мире осуществил контролируемые манипуляции с отдельными атомами, размещенными на поверхности: с помощью микроскопа STM он написал слово «IBM», расположив соответствующим образом 35 атомов ксенона. Вполне вероятно, это самый миниатюрный корпоративный логотип в мире.

1991 — продемонстрирован атомный переключатель, что стало важнейшим шагом на пути к созданию электронных компонентов атомарного масштаба.

1993 — исследователи из IBM и NEC независимо друг от друга открыли такое явление, как однослойные углеродные нанотрубки, и разработали методы их производства с использованием металлических катализаторов.

1996 — усовершенствованы методики манипулирования молекулами с помощью микроскопа STM, что впервые позволило перемещать отдельные молекулы в нужное положение при комнатной температуре.

1996 — в IBM создан самый маленький в мире абак, состоящий всего из 10 атомов, — еще одна важная веха в развитии инженерных методов нанометрового масштаба.

1998 — совместно с партнерами ученые из IBM открыли явление так называемого молекулярного колеса, которое позволяет надеяться на создание механизмов и двигателей нанометрового масштаба.

2000 — исследователи из IBM и нескольких университетов совместно разработали наномеханические датчики на основе крошечных кремниевых щупов, которые позволяют обнаружить мельчайшие количества биохимических субстанций и распознают определенные шаблоны ДНК.

2001 — созданный специалистами IBM метод «конструктивного разрушения» позволил преодолеть главное препятствие к построению компьютерных микросхем из других веществ помимо кремния — с его помощью удается разделить полупроводниковые и металлические нанотрубки, сформировав таким образом крошечный, но вполне работоспособный транзистор.

2001 — представлен первый в мире логический элемент молекулярного уровня: исследователям удалось из транзисторов на основе углеродных нанотрубок построить логические интегральные схемы, сделав важнейший шаг на пути к молекулярным компьютерам.

2002 — созданы реально действующие вычислительные схемы с минимально возможными на сегодняшний день размерами, в которых используется каскад молекул, смещающихся по принципу домино.

2003 — ученые из IBM, Колумбийского университета и Университета Нового Орлеана продемонстрировали первую трехмерную самосборку магнитных и полупроводниковых наночастиц — этот модульный метод сборки позволяет соединять практически любые материалы.

2003 — продемонстрирован самый маленький в мире полупроводниковый световой излучатель, что в перспективе позволит применять углеродные нанотрубки в оптико-электронных приборах.

2004 — в IBM разработан новый метод, получивший название «спектроскопия на основе переворота спина», который позволяет изучать свойства магнитных структур атомарного масштаба. Этот метод применяют для измерения фундаментальной магнитной характеристики одиночного атома — величины энергии, необходимой для транспонирования его магнитной ориентации.

2004 — исследователи из IBM смогли измерить напряженность магнитного поля одиночного электронного спина, использовав для этого весьма чувствительный магниторезонансный атомно-силовой микроскоп и продемонстрировав тем самым, что можно существенно повысить чувствительность магниторезонансной томографии.

2004 — реализовано контролируемое изменение заряда отдельных атомов. Возможность добавления или удаления заряда электрона в отдельном атоме позволит расширить масштабы исследований на атомарном уровне. Переключение между различными уровнями заряда в отдельном атоме обеспечит недоступный ранее уровень контроля над исследованиями химических реакций, оптических свойств и магнитных моментов.

2005 — использовав наноэлектронные технологии в производстве, исследователи из IBM создали крошечное устройство, замедляющее прохождение света. Это огромный шаг вперед на пути к использованию света вместо электричества для соединения электронных компонентов, что в перспективе может значительно повысить производительность компьютеров и других электронных систем.

2006 — в IBM создана первая в мире полноценная электронная интегральная схема на основе молекулярной углеродной нанотрубки. Этот новый материал способен существенно повысить производительность по сравнению с применяемыми сегодня кремниевыми полупроводниками. Достигнутый результат имеет огромное значение, поскольку электронная схема была построена в рамках стандартных процессов полупроводникового производства, и основой для построения всех схемных компонентов в ней служит единственная молекула, а не созданные по отдельности компоненты, соединяемые между собой. Это может существенно упростить производство и обеспечить единообразие, необходимое для более тщательного тестирования и оптимизации материалов в данной области.

2006 — разработан новый метод исследования атомного магнетизма и управления им. Этот подход не только поможет понять принципы функционирования перспективных вычислительных схем и элементов хранения данных, приближающихся по своим размерам к атомарному уровню, но и заложит основу для создания новых материалов и вычислительных устройств, использующих магнитные явления атомарного масштаба.

2006 — в исследовании, посвященном анализу основополагающих принципов молекулярной электроники, предложено объяснение квантовомеханических эффектов, возникающих при прикреплении атомов золота к молекуле. Эта работа продемонстрировала возможность контроля не только геометрических параметров атомарного масштаба в месте контакта атома металла с молекулой, но и его силы сцепления и фазы орбитальной волновой функции в точке контакта.

2007 — специалисты IBM продемонстрировали первое в мире промышленное применение технологии «самосборки», которая используется для создания вакуума (идеального изолятора) вокруг нанопроводов в микропроцессоре следующего поколения на основе полупроводниковой технологии IBM Airgap.

2007 — разработана технология магниторезонансной томографии, обеспечивающая визуализацию объектов наномасштаба. Эта технология, впервые в мире позволившая применить магниторезонансную томографию на подобном уровне, стала огромным достижением на пути построения микроскопа, способного «видеть» строение атома в трех измерениях.

Наука и творчество идут рядом

Экспериментируя с материалами, из которых, возможно, будут со временем создаваться компьютерные микросхемы и компоненты устройств хранения, ученые IBM построили из отдельных атомов интересные структуры. Два таких изображения, созданные с применением низкотемпературного сканирующего туннельного (STM) микроскопа, были представлены на выставке «Искусство изобретения», подготовленной организацией National Inventors Hall of Fame Foundation (NIHFF) и Бюро патентов и торговых марок США (United States Patent and Trademark Office, USPTO) для музея USPTO в Александрии (шт. Вирджиния). На этой выставке экспонируется более 70 работ, в основе которых лежат изобретения, патенты и товарные знаки.

Используя STM-микроскоп для получения волновых рельефов (точнее, распределений плотности) электронов на поверхности металла, ученые IBM построили «квантовое состояние» электрона по своему собственному проекту. Они расположили по кругу 48 атомов железа, чтобы «загнать в ловушку» некоторые поверхностные электроны и заставить их перейти в квантовые состояния, определяемые стенками этого «загона». Волны внутри кольца атомов формируют волновой рельеф некоторых электронов, запертых в загоне. Специалисты IBM обнаружили, что они могут количественно описать поведение электронов, решив классическую задачу квантовой механики — частица в блоке с жесткими стенками, — и проложив тем самым путь к созданию функциональных квантовых состояний, что может в будущем применяться для построения компьютерных микросхем и в других областях.

Заинтригованные возможностью наблюдать «квантовый хаос», специалисты по квантовой механике сконструировали квантовый загон в форме стадиона в надежде увидеть признак квантового хаоса, известный как рубцевание. Рубцевание волновых рельефов электронов привело бы к формированию волн вдоль классических периодических орбит «стадиона». Однако никакого рубцевания не наблюдалось. Причина этого в том, что квантовые загоны похожи на любую резонансную структуру, например, колокол, только этот «квантовый» колокол звонит недостаточно хорошо.

Магниторезонансная визуализация

В апреле этого года ученые исследовательского центра Almaden Research продемонстрировали, как с помощью методики магниторезонансной визуализации (Magnetic Resonance Imaging, MRI) получить изображения объектов нанометрового масштаба. Это достижение, впервые выводящее технологию MRI на наноуровень, стало важным шагом на пути создания микроскопа, способного отображать отдельные атомы в трех измерениях. Используя метод, получивший название «магниторезонансная силовая микроскопия» (Magnetic Resonance Force Microscopy, MRFM), исследователи из IBM продемонстрировали двумерные изображения объектов размером приблизительно 90 нм. Это открывает реальные перспективы получения трехмерных изображений на молекулярно-атомном уровне уже в ближайшем будущем. Такой уровень визуализации позволит, в частности, детально изучить функционирование белков, а это, в свою очередь, может привести к созданию новых эффективных лекарственных препаратов.

Чувствительность метода магниторезонансной силовой микроскопии в 60 тыс. раз превосходит аналогичный показатель у лучших современных магниторезонансных (MRI) установок. Метод MRFM использует механизм так называемого принудительного обнаружения, чтобы преодолеть ограничения чувствительности стандартного MRI-микроскопа и получить изображения структур, которые в противном случае были бы слишком малы для отображения. Для реализации этого эффекта группа исследователей разработала для микроскопа специальные магнитные наконечники, позволяющие учесть влияние очень слабого магнетизма атомного ядра. Стандартный медицинский магниторезонансный прибор работает в диапазоне в 1000 раз более крупных размеров; разрешение даже специализированного MRI-микроскопа ограничено 3 мкм. Достижение исследователей IBM может иметь огромное значение для изучения разнообразных объектов — от белков и лекарственных средств до интегральных микросхем, — понимание функционирования которых требует детального знания атомной структуры. Так, информация о точном местоположении конкретных атомов в структурах нанометрового масштаба позволила бы ученым лучше понять процессы их функционирования. Возможность напрямую получать изображения подробной атомной структуры белков была бы полезна при разработке новых лекарств.

Исследователи IBM совершенствуют методику магниторезонансной силовой микроскопии вот уже более 10 лет. Благодаря их последнему достижению ученые получили возможность фиксировать изображения объектов с линейными размерами всего в 103 атома — в сравнении с порогом чувствительности в 108 атомов у существующих сегодня MRI-методик. Такое повышение чувствительности позволяет распространить область применимости магниторезонансной визуализации в нанометровый диапазон.

Молекулы как электронные компоненты

В августе 2007 г. IBM объявила о двух крупных научных достижениях в области нанотехнологий, способных со временем привести к созданию принципиально новых типов устройств и структур, построенных всего из нескольких атомов или молекул. Хотя до использования этих достижений в реальных продуктах еще достаточно далеко, они позволяют ученым из IBM и других организаций продолжить развитие нанотехнологий, исследовать возможности построения структур и устройств из сверхмалых компонентов атомарного масштаба. В будущем такие устройства могли бы использоваться в качестве компьютерных микросхем, запоминающих устройств, датчиков и других компонентов, которые пока еще трудно себе даже представить.

В первом отчете исследователей IBM описаны результаты исследований магнитной анизотропии отдельных атомов (эта фундаментальная характеристика имеет большое значение для технологии, поскольку она определяет способность атома к хранению информации). До того ученые не располагали возможностями измерения магнитной анизотропии единственного атома. Дальнейшие исследования в этой области могут открыть возможности для построения структур, состоящих из небольших групп атомов или даже из отдельных атомов, способных надежно хранить магнитную информацию. На базе таких структур можно будет выпускать устройства размером с мультимедийный плеер iPod, способные хранить почти 30 тыс. кинофильмов стандартного размера или весь информационный контент ресурса YouTube — миллионы видеороликов, суммарный объем которых, по оценкам, превышает 1000 трлн битов. Возможно, еще более важно здесь то обстоятельство, что этот прорыв способен вызвать к жизни принципиально новые виды структур и устройств — со столь малыми размерами, что их можно будет применять в совершенно новых областях и дисциплинах за пределами традиционных компьютерных систем.

Исследователи использовали специальный сканирующий туннельный микроскоп IBM для манипуляций над отдельными атомами железа и их упорядочения с точностью до одного атома на специально подготовленной медной поверхности. После этого определяли ориентацию и интенсивность магнитной анизотропии отдельных атомов железа. От анизотропии зависит, сможет ли магнит сохранять определенную ориентацию, что, в свою очередь, позволяет ему представлять два состояния — «1» или «0» (на этом и основано хранение данных в компьютерах). Эксперты отмечают, что сегодня важнейшими задачами ИТ-отрасли стали сокращение физических размеров элементарной ячейки для хранения одного бита информации до минимально допустимого предела и радикальное увеличение емкости устройств памяти. Понимание определенных магнитных свойств атомов — это фундамент для дальнейшего развития новых, более эффективных способов хранения данных.

Во втором отчете исследователи IBM обнародовали подробные сведения о первом в мире переключателе на основе единственной молекулы, работа которого не сопровождается разрушениями во внешнем каркасе молекулы — это существенный шаг к построению компьютерных компонентов молекулярного масштаба, значительно меньших по размеру, более быстрых и энергоэффективных, чем сегодняшние микросхемы и устройства памяти. В дополнение к переключателю исследователи также продемонстрировали, что атомы одной молекулы могут служить для переключения состояния атомов в смежной молекуле, тем самым создавая основу элементарного логического элемента. Отчасти это стало возможным благодаря отсутствию разрушений в каркасе молекулы.

Исследователи описывают возможность переключения одиночной молекулы между состояниями «включено» и «выключено» (базовый элемент компьютерной логики) посредством двух атомов водорода из молекулы органического вещества. Ранее исследователи из различных организаций уже демонстрировали переключение в пределах одиночных молекул, однако в результате такого переключения молекулы изменяли форму, что делало их непригодными для построения логических вентилей компьютерных микросхем или элементов памяти. Как известно, переключатели в компьютерных микросхемах действуют как электрический выключатель, открывающий и закрывающий путь для потока электронов. Совокупность таких «выключателей» образует логические вентили, из которых, в свою очередь, образуются электрические схемы. Переключатели уменьшенного размера позволят дополнительно «ужать» размеры электрических схем и разместить больше таких схем в процессоре, что существенно повысит его скорость и производительность.

Молекулярные переключатели могли бы со временем привести к созданию компьютерных микросхем с такими же высокими скоростями, как у сегодняшних самых быстродействующих суперкомпьютеров, но при существенно меньших размерах. При определенных допущениях можно даже представить себе компьютерные микросхемы величиной с пылинку, умещающиеся на кончике иглы. Обычные кремниевые КМОП-микросхемы в своем развитии уже приблизились к физическому пределу, поэтому ИТ-отрасль активно исследует новые технологии, способные и дальше повышать эффективность компьютеров. Модульная молекулярная логика — одно из возможных решений этой задачи, хотя до ее реального применения пройдет еще не один год. Следующий шаг для исследователей IBM — объединение нескольких таких молекул в рамках электрической схемы, а затем поиск способов связывания этих схем в молекулярную микросхему.

Концепция использования молекул в качестве электронных компонентов все еще находится на стадии младенчества. К настоящему времени было продемонстрировано всего несколько примеров использования одиночных молекул в качестве переключателей или элементов памяти. Большинство из этих молекул имеют сложную трехмерную структуру, которая при переключении меняет свою форму. Размещение таких молекул на поверхности с целью сохранения их функций — чрезвычайно трудная задача, что не позволяет применять их в качестве базовых компонентов компьютерной логики. Переключение в пределах молекулы, продемонстрированное исследователями IBM, однозначно, четко локализовано, обратимо и основано на собственных свойствах молекулы, а кроме того, не приводит к изменениям во внешнем каркасе молекулы. Поэтому такую молекулу вполне можно использовать в качестве компонента для построения более сложных молекулярных устройств, которые будут служить логическими элементами. Поскольку в процессе переключения форма молекулы не изменяется, одиночные переключатели можно соединять между собой нужным образом. По всей видимости, такой процесс переключения будет успешно работать и в случае молекул, внедренных в более сложные структуры. Хотя специалисты подразделения IBM Research и просматривали различные молекулы на предмет их пригодности на роль молекулярных переключателей, при проведении тестов с одним из этих веществ они не предполагали получить эффект переключения, а намеревались исследовать молекулярные вибрации. В ходе этих тестов сотрудники группы получили удивительные результаты, имеющие существенное значение для переключателей молекулярного масштаба, поэтому они изменили основное направление исследований, перейдя от изучения вибраций к эффекту переключения, что и привело к описываемому научному прорыву.

Углеродные нанотрубки

Осенью 2007 г. ученые из IBM объявили о том, что им удалось измерить распределение электрических зарядов в углеродных трубках диаметром менее 2 нм — в 50 тыс. раз меньше толщины человеческого волоса. Оригинальная методика, в основе которой лежит взаимодействие между электронами и фононами, позволяет детальнее понять электрическое поведение углеродных нанотрубок — перспективного материала для построения компьютерных микросхем, которые потенциально имеют значительно меньшие размеры, более низкое энергопотребление и более высокое быстродействие по сравнению с применяемыми сегодня кремниевыми транзисторами.

Фононы, испускаемые в результате происходящих в материале атомных колебаний, определяют тепловую и электрическую проводимость этого материала. Электроны порождают и переносят электрический ток. Эти процессы можно использовать для передачи электрических сигналов и выполнения вычислений. Взаимодействие же между электронами и фононами приводит к выделению тепла и препятствует прохождению электрического тока в компьютерных микросхемах. Понимание характера взаимодействия электронов и фононов в углеродных нанотрубках позволило исследователям создать более эффективный способ оценки их применимости в качестве проводов и полупроводниковых компонентов для будущих компьютерных микросхем. Чтобы обеспечить использование углеродных нанотрубок для построения логических схем, ученые стремятся продемонстрировать их высокую скорость, большую плотность компоновки и низкое энергопотребление, а также пригодность для целей массового производства.

До настоящего времени из углеродных нанотрубок удавалось строить одиночные транзисторы с превосходными характеристиками, однако с тиражируемостью результатов дело обстояло не слишком хорошо. Дело в том, что углеродные нанотрубки весьма чувствительны к воздействиям окружающей среды. Например, их свойства могут измениться из-за наличия примесей, которые влияют на протекание электрического тока и характеристики устройства. Подобные взаимодействия, обычно проявляющиеся на локальном уровне, меняют плотность электронов в различных компонентах интегральной схемы, причем даже в пределах одиночной нанотрубки. Для изготовления более надежных транзисторов необходимо более глубокое понимание того, как локальное окружение влияет на электрический заряд углеродной нанотрубки. Именно поэтому возможность измерить локальные изменения плотности электронов в нанотрубке имеет огромное значение. И группа сотрудников из исследовательского центра IBM имени Томаса Дж. Уотсона разрешила эту проблему.

Десять достижений в полупроводниковой электронике

Деятельность научно-исследовательских лабораторий IBM за последние десять лет кардинально изменила ситуацию в ИТ-отрасли, в первую очередь благодаря новым материалам и проектировочным принципам, позволяющим создавать более мощные полупроводниковые кристаллы с уменьшенными размерами и пониженным потреблением энергии. Среди многочисленных инноваций, созданных в лабораториях IBM за истекшее десятилетие, стоит выделить следующие десять революционных достижений.

Медные проводники (сентябрь 1997 г.)

Многие специалисты по целому ряду причин технического характера считали невозможной замену алюминиевых проводников в полупроводниковых кристаллах медными соединениями. Однако ученым из IBM удалось успешно преодолеть все трудности и быстро внедрить медные проводники в производственные процессы, что привело к немедленному росту производительности полупроводниковых микросхем. Сегодня эта новаторская технология IBM стала фактически отраслевым стандартом.

Технология «кремний на диэлектрике» (август 1998 г.)

Эта технология позволяет эффективно изолировать друг от друга миллионы транзисторов, из которых состоят современные микросхемы, в результате чего сокращается энергопотребление и повышается производительность. Отрасль работала над данной технологией на протяжении 15 лет, однако только IBM смогла ее реализовать.

Технология напряженного кремния (июнь 2001 г.)

Благодаря напряжению материала внутри кристалла уменьшается электрическое сопротивление и ускоряется протекание электронов через транзисторы, что, в свою очередь, повышает производительность и уменьшает энергопотребление.

Двухъядерные процессоры (октябрь 2001 г.)

Первый в мире двухъядерный процессор POWER4 был представлен как компонент сервера Regatta — самой мощной системы семейства IBM System p. Прошло более двух лет — почти вечность в мире высоких технологий, — прежде чем конкуренты смогли вывести на рынок свои двухъядерные кристаллы.

Иммерсионная литография (декабрь 2004 г.)

IBM первой в мире применила эту производственную технологию, позволяющую формировать схемные элементы уменьшенного размера, для создания коммерческих процессоров.

«Замороженные» кремний-германиевые микросхемы (июнь 2006 г.)

В 1990-х гг. IBM первой применила кремний-германиевые полупроводники для замены дорогостоящих экзотических материалов, что позволило создавать более дешевые кристаллы с уменьшенными размерами и увеличенной скоростью работы. Корпорация начала продавать такие микросхемы и производителям различных беспроводных продуктов, в том числе мобильных телефонов и маршрутизаторов. В прошлом году IBM снова отодвинула пределы возможного для кремний-германиевых технологий: в содружестве с Технологическим университетом штата Джорджия и при поддержке NASA IBM продемонстрировала первую кремний-германиевую микросхему, которая при охлаждении почти до абсолютного нуля способна функционировать на тактовой частоте 500 ГГц.

Диэлектрик с высоким значением k/металлический затвор (январь 2007 г.)

IBM объявила о решении одной из самых неприятных проблем, стоящих сегодня перед проектировщиками электронных компонентов, — больших токов утечки транзисторов. На основе новых материалов специалисты корпорации разрабатывают структуры типа «диэлектрик с высоким значением k/металлический затвор», которые позволяют выпускать продукты с увеличенным быстродействием, меньшими размерами и повышенной эффективностью энергопотребления.

Память eDRAM (февраль 2007 г.)

Переход с памяти типа SRAM на инновационную скоростную память типа eDRAM позволит более чем в три раза увеличить объем встроенной памяти процессорного кристалла и существенно повысит его производительность.

Трехмерная компоновка кристаллов (апрель 2007 г.)

IBM объявила о создании так называемых трехмерных кристаллов на основе технологии Through-Silicon Vias (соединения сквозь кремний), которая дополняет горизонтальную компоновку полупроводниковых элементов их вертикальным пакетированием, в результате чего длина критических внутрисхемных соединений сокращается примерно в 1000 раз.

Технология Airgap (май 2007 г.)

С помощью нанотехнологии «самосборки» между километрами проводников внутри процессора Power формируется безвоздушное пространство, что сокращает нежелательное емкостное сопротивление. В результате повышается производительность и снижается энергопотребление процессора.

Суть новой технологии (рис. 2) в том, что кремниевая пластина покрывается слоем особого полимера, в котором при нагревании образуются триллионы одинаковых тонких отверстий диаметром 20 нм. Молекулы образуют определенный рисунок, подобно снежинкам, выстраивающим симметричные шестисторонние фигуры. После этого кристалл подвергается обработке газом, который проходит сквозь материал как через трафарет, вытравливая нижележащее стекло из мелких отверстий на поверхности и образуя более глубокие непрерывные зазоры между проводниками. Следующий слой стекла наносится в вакуумной камере. Так как отверстия в предыдущем слое стекла очень малы, новый слой не заполняет их, а запечатывает, так что внутри остается вакуум. Технология приводит к уменьшению тока утечки, ускоряя работу микросхемы на одну треть или экономя до 15% энергии. IBM планирует использовать новый процесс в своих микросхемах только в 2009 г., но уже изготавливает прототипы на базе существующих конструкций. Компания намерена избирательно лицензировать технологию своим партнерам (она ведет совместные исследования, в частности, с AMD и Toshiba).

Печать с помощью наночастиц

Исследователи из IBM и Цюрихского политехнического института совместно разработали новую технологию печати с помощью наночастиц (частиц с размерами менее 100 нм). Это ускорит создание биодатчиков нанометрового размера и линз для отклонения светового потока внутри будущих оптических микросхем, а также нанопроводов, которые могли бы стать основой для перспективных компьютерных компонентов. Новая технология способна предложить мощный инструмент для совершенно разных сфер применения и отраслей — включая биомедицину, электронику и ИТ. До настоящего времени все стандартные технологии изготовления микрообъектов были основаны на нисходящем принципе, т. е. такие объекты фактически создавались путем вырезания их из более крупных фрагментов. По новой же технологии в процессе печати на целевую поверхность наносятся уже готовые наночастицы (рис. 1). Такая технология гораздо эффективнее, а кроме того, она упрощает совмещение разнородных материалов, таких, как металлы, полимеры, полупроводники и оксиды.

Исследователи, впервые в мире использовав частицы диаметром 60 нм — примерно в 100 раз меньше человеческого эритроцита, смогли напечатать растровое изображение с разрешением в одну частицу, что в перспективе позволит создавать разнообразные наношаблоны в диапазоне от простых линий до сложных схем. При переводе этого разрешения в стандартный показатель «число точек на дюйм» (определяющий, сколько раздельных точек красителя печатается на определенного размера области) получается значение 100 тыс. точек на дюйм, тогда как обычные методы офсетной печати сегодня оперируют величинами порядка 1500 точек на дюйм. В качестве демонстрации эффективности и универсальности нового метода исследователи напечатали хорошо известное изображение Солнца — алхимический символ золота, придуманный в XVII в. Робертом Флуддом. Это вполне соответствующее ситуации изображение состоит из 20 тыс. отдельных золотых наночастиц диаметром около 60 нм каждая. Новая технология печати обеспечила нанесение красителя на каждую точку изображения с точностью до одной частицы, что и позволило создать самую маленькую монохромную иллюстрацию за всю историю печатного дела.

Новая технология открывает разнообразные возможности для прецизионного и эффективного нанесения наночастиц на самые разные поверхности. Например, в биомедицине этот процесс можно использовать при печати больших массивов биофункциональных цепочек, которые позволяют обнаружить и идентифицировать в организме определенные клетки или маркеры. Еще один пример — быстрый скрининг на маркеры раковых клеток или сердечной недостаточности. При использовании в устройствах для оперативной диагностики на месте оказания медицинской помощи регулярные массивы биофункциональных цепочек способны автоматически и исключительно оперативно выдать результаты по пробам минимального объема. Наночастицы также могут взаимодействовать со светом, так что технология позволяет «печатать» оптические материалы с новыми свойствами — например, для использования в оптоэлектронных устройствах. Могут быть созданы так называемые «метаматериалы», в которых напечатанные структуры будут иметь размеры, сопоставимые с длиной световой волны, и как следствие будут вести себя как одиночная линза с необычными свойствами. Кроме того, эта технология выглядит весьма многообещающе и в приложении к полупроводникам. В одном из экспериментов исследователи смогли добиться контролируемого размещения каталитических зародышевых частиц для выращивания полупроводниковых нанопроводов — перспективных кандидатов на построение транзисторов, которые будут использоваться в микросхемах будущего.

В случае традиционной технологии (так называемой «глубокой печати») углубления в печатной пластине с помощью ракельного ножа заполняются типографской краской, в которой беспорядочно распределены частицы пигмента. По новой технологии печати с высоким разрешением за размещение наночастиц на печатной пластине или на шаблоне отвечает управляемый процесс самосборки. Затем вся «сборка» печатается на целевой поверхности, благодаря чему удается выдержать положение частицы с прецизионной точностью и добиться тем самым разрешающей способности на три порядка выше, чем при обычных технологиях печати. В процессе экспериментов исследовались следующие геометрические конфигурации печатных шаблонов: линии для создания из наночастиц плотно упакованных проводов, которые могли бы использоваться в молекулярной электронике; регулярно чередующиеся массивы золотых частиц, служащие затравкой при выращивании нанопроводов; произвольные компоновки, позволяющие, например, отпечатать изображение солнца. Точность на больших интервалах, посредством которой оценивается отклонение от желательного местоположения на большой площади, аналогична точности микроконтактных методов печати. Ученым предстоит дальнейшая работа по совершенствованию описанной технологии по двум основным направлениям — повышение точности до уровня, соответствующего требованиям производства больших интегральных схем, и создание способов использования частиц еще меньшего размера.

Технологические альянсы

Common Platform

Корпорация IBM и ее технологические партнеры по программе Common Platform — Chartered Semiconductor Manufacturing (www.charteredsemi.com) и Samsung Electronics (www.samsung.com), а также присоединившиеся к этому альянсу разработчиков компании Infineon Technologies (www.infineon.com) и Freescale Semiconductor (www.freescale.com), — подписали ряд соглашений о совместном создании инновационных технологий производства полупроводниковых кристаллов. Эти соглашения помимо прочего касаются КМОП-структур с монолитной подложкой с проектной нормой 32 нм и наборов средств проектирования для таких структур (в успешно выполненных предшествующих соглашениях речь шла о создании технологий с проектными нормами 90, 65 и 45 нм). Совместно используя накопленный опыт и ресурсы, партнеры планируют разработать и внедрить новые производственные технологии к 2010 г. Производимые по этим технологиям микросхемы станут основной платформой для широкого круга систем — от карманных электронных компьютеров нового поколения до самых мощных суперкомпьютеров мира — и будут использоваться и участниками альянса, и другими компаниями для решения практических задач в таких областях, как медицина, коммуникации, транспорт и безопасность.

IBM, Chartered и Samsung как основные технологические производители альянса Common Platform смогут использовать совместно разработанные 32-нм процессы и наборы средств проектирования для синхронизации своих производственных мощностей. Это даст всем участникам альянса необходимую гибкость для производства почти идентичных микросхем для своих крупных OEM-клиентов, бизнес-модели которых требуют нескольких поставщиков и которые рассчитывают на ранний доступ к технологическим процессам.

Все пять участников альянса будут совместно работать над созданием технологии, обеспечивающей производство высокопроизводительных и энергоэкономичных продуктов с низкой потребляемой мощностью в режиме ожидания. Основные направления деятельности альянса формулируются следующим образом:

• концентрация усилий на экономичности и максимальной простоте с сохранением лидерства по производительности;
• внедрение новых материалов, например, структур «диэлектрик с высоким значением k/металлический затвор», и методов напряжения кремния, применение сверхтонких пленок с низким значением k на конечной стадии планарного процесса (BEOL);
• использование методов иммерсионной литографии для повышения схемной плотности и уменьшения размеров кристаллов;
• ориентация на качественные аналоговые модели для рынка цифровых коммуникаций;
• создание платформы для производных технологий, таких, как RF CMOS и eDRAM.

Использование единых электротехнических спецификаций упрощает перенос технологий между производственными мощностями партнеров. Как и ранее, большая часть работ по созданию 32-нм технологий будет проходить на заводе IBM в Ист-Фишкилле (шт. Нью-Йорк, США), где выпускаются микросхемы из 300-мм кремниевых пластин.

Участники альянса также объявили о готовности технологических моделей, массивов данных и проектировочных наборов для DFM-технологий от ведущих поставщиков инструментария для автоматизации проектирования электронных компонентов (EDA) и проектирования с учетом требований производства (DFM). Эти ресурсы рассчитаны на поддержку технологий Common Platform с проектной нормой 45 нм. Второй раз за историю альянса Common Platform (первый пример касался нормы 65 нм) его участники стимулируют продвижение комплексного набора DFM-решений, объединяющих технологии и инструменты от ведущих поставщиков средств EDA/DFM с технологическими данными и производственными моделями участников альянса Common Platform. DFM-решения с проектной нормой 45 нм для технологий Common Platform обладают широким спектром возможностей, охватывающих все важнейшие этапы производственного процесса — от первоначального проектирования до изготовления масок. Продолжая поддерживать существующие инструменты для проектной нормы 65 нм от нескольких компаний, сторонники концепции Common Platform сегодня предлагают ряд дополнительных средств, в том числе DFM-инструменты компании Mentor Graphics для анализа критических зон и критических функций и инструмент CMP Predictor от компании Cadence Design Systems. Переход к 45-нм технологиям требует еще более тесной кооперации между различными поставщиками инструментов, поэтому для решения этой задачи и повышения качества обслуживания клиентов участники альянса Common Platform развивают отраслевое сотрудничество и интеграцию проектировочных решений.

Память с передачей спинового эффекта

Компания IBM активно сотрудничает с японской корпорацией TDK (www.tdk.com) в сфере разработки памяти с передачей спинового момента (Spin Torque Transfer RAM, STT-RAM). Принцип ее работы состоит в изменении электрического сопротивления при изменении направления магнитного поля. Согласно плану, в четырехлетний срок компании должны изготовить прототип 65-нм микросхемы STT-RAM.

До сих пор IBM вела разработки менее экзотического типа памяти — магниторезистивной (MRAM). Однако при попытке уменьшить размеры транзисторов в микросхемах этого типа возникли непреодолимые трудности. Как пояснили разработчики корпорации, приходится повышать напряженность магнитного поля и увеличивать продолжительность записи, а это становится непрактично. Для 65-нм технологий нужно искать новые механизмы записи информации. Вероятные кандидаты на роль энергонезависимой памяти нового типа — STT-RAM и память с изменением фазового состояния. Последняя обеспечивает более высокую плотность записи, но STT-RAM быстрее и долговечнее. В памяти с изменением фазового состояния биты представляют собой кристаллический материал, который при точечном нагревании до сотен градусов переходит в аморфное состояние. Разработка энергонезависимой памяти даст IBM необходимый ингредиент для выпуска систем на одном кристалле.

Разработка технологий КМОП

Соглашение между IBM и компанией STMicroelectronics (www.st.com) предусматривает исследовательские и проектные работы, связанные с созданием 32- и 22-нм промышленных технологий КМОП, адаптированных к производству 300-мм кремниевых пластин. В рамках соглашения будут совершенствоваться как традиционные базовые КМОП-технологии, так и инновационные технологии однокристальных систем SoC (System-on-Chip), что выводит обе компании на передний край развития полупроводниковой техники. Кроме того, сотрудничество будет включать разработку платформ для ускорения проектирования однокристальных устройств на базе этих технологий.

По условиям соглашения, на предприятиях обеих компаний будут работать специально созданные команды технических специалистов и исследователей компании-партнера. Так, в рамках развития традиционных КМОП-технологий группа исследователей и разработчиков STMicroelectronics будет взаимодействовать с сотрудниками центра IBM Semiconductor Research and Development Center в Ист-Фишкилл и Олбани (шт. Нью-Йорк). Группа исследователей и разработчиков IBM, в свою очередь, будет работать на научно-производственном предприятии STMicroelectronics по выпуску 300-мм кремниевых пластин в Кролле (Франция), где обе компании будут совместно разрабатывать инновационные технологии с потенциально высокой степенью прибыльности, такие, как встраиваемая память и высокочастотные аналоговые компоненты (RF/ Analog). Эти технологии могут получить широкое распространение на рынках серверов и потребительской электроники, а также в беспроводных устройствах, подобных сотовым телефонам и приборам глобального позиционирования.

Компания STMicroelectronics присоединится к партнерскому альянсу ведущих разработчиков и производителей полупроводниковой техники, которые сотрудничают в создании комплексного технологического процесса для производства максимально компактных, быстродействующих и экономически эффективных полупроводниковых устройств. Шесть участников этого профессионального сообщества, известного как IBM CMOS Technology Alliance, имеют преимущества доступа к новейшим технологиям на самых ранних стадиях разработки, к совместным ресурсам и данным исследований, а также к общей производственной базе. Участие в открытых экосистемах с активным использованием коллективных ресурсов обеспечивает компаниям ускорение инноваций и сокращение затрат — как результат объединения данных исследований, команд разработчиков и интеллектуальной собственности. По мере расширения таких технологических альянсов преимущества от сотрудничества растут в геометрической прогрессии, поскольку все большее число коллег дополняет коллективные ресурсы своими

производственными, интеллектуальными и информационными активами, помогая создавать более функциональные, быстродействующие и дешевые полупроводниковые устройства.

Микросхемы на основе инновационных технологий

В этом году IBM представила новые полупроводниковые продукты, в которых используется несколько революционных технологий. Один из них — высокопроизводительная специализированная интегральная микросхема IBM Cu-45, коммерческая реализация технологии «кремний на изоляторе» (SOI), ранее применявшейся только в высокопроизводительных микропроцессорах. Микросхема Cu-45HP ориентирована на телекоммуникации, потребительскую электронику и другие важные сегменты рынка. Кроме того, она стала первым примером коммерческого применения памяти типа eDRAM, в основе которой также лежит технология SOI.

Напомним, что специализированная интегральная микросхема — это полупроводниковый кристалл, позволяющий заказчикам адаптировать свои продукты к самым разным областям применения, включая авиакосмическую отрасль, оборону, потребительскую электронику, сетевые устройства, средства мультимедиа и т. д. Примером может служить микросхема, реализующая все функции сотового телефона. Технология SOI, неотъемлемый компонент шестого поколения процессоров Power, которые применяются в серверных продуктах IBM, способна на величину до 30% повысить производительность по сравнению с отраслевым стандартом — технологией КМОП. Новая 45-нм память IBM eDRAM на базе технологии SOI радикально увеличивает скорость работы процессорной памяти, занимая при этом примерно в три раза меньше места и потребляя в режиме покоя в пять раз меньше энергии, чем обычная память типа SRAM.

Кроме того, были представлены три других цифровых и аналоговых полупроводниковых продукта IBM, ориентированных на применение в мобильных телефонах и других беспроводных устройствах. Эти продукты позволяют помимо прочего дополнительно повысить интеграцию на кристалле, улучшив тем самым такие показатели, как стоимость, производительность и плотность монтажа.

SiGe BiCMOS 5Pae. Эта кремниево-германиевая аналоговая микросхема — первый продукт IBM на основе технологии Through-Silicon Vias (соединения сквозь кремний). Она позволит существенно сократить расходы компаний, проектирующих усилители мощности для сотовых телефонов и различных беспроводных устройств.

CMOS 11LP. Это предложение оптими зировано для проектировщиков устройств с низким током утечки. Оно включает производительную память SRAM с низким током утечки и две библиотеки стандартных схемных элементов и построено на основе технологии иммерсионной фотолитографии.

SiGe BiCMOS 6WL. Оптимизированная по цене версия существующей технологии IBM, ориентированная на компании, которым требуются высокопроизводительные аналоговые схемы для массовых потребительских устройств, включая мобильные телефоны, беспроводные устройства и системы глобального позиционирования.

В заключение также отметим, что IBM Research подготовила прототип набора микросхем для оптического приемопередатчика, который достаточно быстр, чтобы уменьшить время загрузки типичного полнометражного кинофильма High Definition до 1 с — вместо 30 мин и более, характерных для лучшей из доступных сегодня технологий связи. В IBM утверждают, что ее набор микросхем способен достигать скоростей, в восемь раз превышающих быстродействие современных оптических компонентов. Микросхемы можно встраивать в печатные платы. Чтобы добиться этого нового уровня интеграции, инженеры IBM разработали оптический приемопередатчик на базе технологии КМОП, используемой в большинстве современных микросхем. Они соединили эту технологию с другими оптическими компонентами из более экзотических материалов, таких, как фосфид индия (InP) и арсенид галлия (GaAs), в корпусе размером всего 3,25 на 5,25 мм.