Исследователи из IBM Research разработали метод формирования изображений, в котором используется миниатюрный кремниевый щуп с острым наконечником-иглой, в 100 тыс. раз тоньше заточенного карандаша. Метод позволяет создавать шаблоны изображений и структур масштаба 15 нм с меньшими затратами и сложностями, открывая новые возможности для разработки объектов наномасштаба в такой области, как технологии производства микросхем и электронной аппаратуры, а также в медицине, бионауках и оптоэлектронике.

Как сообщается в 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. Так, 25-нм трехмерный объект, изображающий в масштабе 1:5 млрд гору Маттерхорн в Альпах высотой 4478 м, был создан в молекулярном стекле. Полная трехмерная карта мира размером всего 22 на 11 микрон была «нарисована» на полимере. На этой карте высотная отметка в 1000 м соответствует приблизительно 8 нм. Изображение сформировано из 500 тыс. пикселов, площадь каждого пиксела составляет 20 кв. нм. Карта была создана всего за 2 мин и 23 с. Двухмерное наноразмерное изображение логотипа IBM было «протравлено» в кристалле кремния на глубину 400 нм. Этот пример демонстрирует жизнеспособность метода для типовых нанопроизводственных процессов. И наконец, получено двухмерное с высоким разрешением изображение сплошной линии толщиной 15 нм.

Основной компонент новой методики – миниатюрный, чрезвычайно тонкий кремниевый наконечник (игла) щупа длиной 500 нм с толщиной кончика всего несколько нанометров. 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 1 нм. При нагревании или приложении внешней силы наноразмерная игла может «снимать» (удалять) слои вещества подложки по предварительно заданным шаблонам, работая как «нанофрезерный» станок сверхвысокой точности.

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 с подложки из молекулярного стекла было удалено 120 отдельных слоев вещества.

Новая методика IBM обеспечивает разрешение до 15 нм, имея к тому же потенциал для достижения еще лучшей разрешающей способности. С помощью существующих методов, таких как электроннолучевая литография, становится все более проблематичным производить шаблоны изображений с разрешениями при размерах рабочего поля ниже 30 мкм – на этом уровне начинают действовать технические ограничения метода. Более того, по сравнению с дорогостоящим инструментарием электроннолучевой литографии, который требует нескольких этапов обработки и громоздкого оборудования, созданный учеными IBM малогабаритный инструмент – 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 метода 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.

Ученые из IBM описали новаторскую методологию формирования трехмерных наноизображений для двух разных, но чрезвычайно перспективных типов материала подложки: полимера, названного «полифталальдегид», и молекулярного стекла, подобного материалу подложки, который используется в традиционных процессах нанопроизводства. В поисках подходящих и эффективных материалов подложки ученые обратились к органическим материалам, которые могут быть применены в качестве резистов. В этих исследованиях они придерживались той же концепции, которая используется в современных полупроводниковых технологиях, что важно для будущей интеграции.

Молекулярное стекло, которое было использовано в эксперименте с изображением горы Маттерхорн, состоит из молекул, напоминающих снежинки, с размерами около 1 нм и почти сферической формы. При температуре сканирующей иглы выше 330°C водородные связи, удерживающие молекулы вместе, разрываются, молекулярные частички становятся летучими и удаляются с поверхности вещества. Отличительная особенность материала состоит в том, что молекулярное стекло с нанесенным шаблоном изображения может быть перенесено посредством стандартного метода гравирования травлением на, например, кремний, традиционный материал полупроводниковой промышленности.

В настоящее время на территории исследовательского центра IBM в Цюрихе создается новая лаборатория мирового класса для международного научного сотрудничества в сфере нанонаук. Этот сверхсовременный центр перспективных нанотехнологий, который планируется открыть в мае 2011 г., является частью стратегического партнерства в области нанотехнологий между IBM Research и ETH Zurich (Федеральной политехнической школой Цюриха).