ورود

ثبت نام

موسسه قرآن و نهج البلاغه
home-icone
Institute of Quran & Nahjul Balaghah

لیتوگرافی، هنر ساختن در ابعاد کوچک

▪ توسعهٔ نانوفناوری بستگی به توان محققان در تولید کارآمد ساختارهایی با ابعاد کمتر از ۱۰۰ نانومتر (کمتر از یک هزارم قطر موی انسان) دارد.



▪ فوتولیتوگرافی، فناوری ای است که هم اکنون برای ساخت مدار روی میکروچیپ ها به کار گرفته می شود. کاربرد این فناوری را می توان به تولید نانوساختارها تعمیم داد، ولی تغییرات لازم بسیار گران و از نظر تکنیکی دشوارند.



▪ روش های ساخت سیستم های نانومتری دو دسته اند: بالا به پایین که با کندن مولکول ها از سطح ماده صورت می گیرد و پایین به بالا که با نشاندن اتم ها و مولکول ها در کنار هم ساختار نانویی به وجود می آورد.



لیتوگرافی نرم و لیتوگرافی قلمی دو مثال از روش های مربوط به بالا به پایین هستند. محققان با استفاده از روش های پایین به بالا در حال ساخت نقاطی کوانتومی هستند که می توانند به عنوان رنگ های بیولوژیک به کار روند.



یادتان هست آخرین بار کِی رایانه تان را ارتقا داده اید یا به جای رایانهٔ کُندِ قدیمی، رایانهٔ جدیدی گرفته اید؟ اگر سرعت پردازنده ها را بر اساس سالی که اولین بار به بازار عرضه شدند یادداشت کنید، شما هم می توانید با رسم یک نمودار در کاغذ نیم لگاریتمی، به کشفِ دوبارهٔ «قانون مور» نائل آیید! قانون مور نشان می دهد که از سال ۱۹۷۰ تا کنون، سرعت پردازنده ها هر ۱۸ ماه دو برابر شده است. سرعت یک پردازنده ارتباط مستقیمی با تعداد ترانزیستورهای به کاررفته در مدار مجتمع آن دارد. فکر می کنید اندازهٔ پردازندهٔ سریعِ امروزِ شما از پردازندهٔ کُندِ سه سال پیش بزرگتر است؟ مسلم است که نه! علت این رشد سرسام آور، پیشرفت فناوری و قابلیت دسترسی بشر به توان طراحی و گنجاندن تعداد بیشتری ترانزیستور در واحد سطح است. این رقم برای پردازنده های امروزی به بیشتر از ۱۰ میلیارد ترانزیستور در یک سانتیمتر مربع می رسد. می توانید طول یک ترانزیستور را تخمین بزنید؟ اگر به عدد ۱۰۰ نانومتر رسیده اید، محاسبهٔ شما درست است. اما ۱۰۰ نانومتر طول رشته ای است که فقط از ۵۰۰ اتم سیلیکون تشکیل شده باشد. با این اطلاعات فکر می کنید آیا باز هم بشر قادر است به این رشد سریع ادامه دهد؟

اگر بخواهیم به همین ترتیب پیش برویم، تا سال
۲۰۱۰ طول هر ترانزیستور از ۵۰ اتم و تا سال ۲۰۱۵ حتی از ۵ اتم هم کمتر خواهد شد. همین واقعیت است که ایدهٔ ساختن نانوساختارها با ابعاد چند اتم را هم برای دانشمندان و هم برای شرکت ها بسیار جذاب کرده است.



● روش معمول تولید


در سال های اخیر دانشمندان روش های مختلفی برای ایجاد نانوساختارها پیدا کرده اند، اما این روشها در حال حاضر در مرحلهٔ آزمونِ کارآیی و توانمندی اند. «فُتولیتوگرافی»، فناوری ای که امروزه برای ساخت پردازنده های رایانه و می توان گفت تمام انواع مدارهای مجتمع به کار گرفته می شود، قابلیت ارتقا برای تولید ساختارهایی در ابعاد کمتر از ۱۰۰ نانومتر دارد. اما انجام این کار بسیار مشکل، گران و پردردسر است. برای پیدا کردن روش های جایگزین، محققانِ ساخت سیستم های نانومتری, در حال بررسی هزاران ایده و صدها روش هستند، تا شاید یکی از آنها جواب بدهد.



ابتدا به سراغ سودمندی ها و کاستی های فُتولیتوگرافی می رویم. تولیدکنندگانِ مدارهای مجتمع در دنیا از این شیوهٔ بسیار کارآمد برای تولید بیش از ۱۰ میلیارد ترانزیستور در هر ثانیه استفاده می کنند. ارزش تولیدات صنعتی با استفاده از تنها این یک فناوری، به بیش از ۱۴۰ میلیارد دلار در سال می رسد. فُتولیتوگرافی در اصل تعمیم یافتهٔ عکاسی است. ابتدا چیزی شبیه نگاتیو عکاسی از شِمای مدار مجتمع تهیه می شود. این نگاتیو ــ که در اینجا «ماسک» نامیده می شود ــ برای تکثیر طرح بر روی هادی ها و نیمه هادیها به کار گرفته می شود. تهیهٔ نگاتیو به سادگی عکاسی نیست، اما با داشتن آن می توان به راحتی هزاران نسخه تکثیر کرد. بنابراین، روند کار به دو بخش اصلی تقسیم می شود: اول تهیهٔ ماسک (که می تواند کُند و هزینه بر باشد)، و دوم استفاده از ماسک برای تهیهٔ نسخه های بعدی (که باید سریع و ارزان باشد).



برای تولید ماسکِ یک قطعهٔ رایانه ای، ابتدا شِمای مدار در مقیاس به نسبت بزرگ طراحی می شود. سپس این طرح به صورت لایهٔ نازکی از فلز (اغلب کُروم) روی صفحهٔ شفافی (اغلب شیشه ی
ا سیلیکون) درمی آید که در مجموع به آن «ویفر» گفته می شود.

سپس فُتولیتوگرافی، در فرآیندی شبیه آنچه در تاریکخانهٔ عکاسی اتفاق می افتد، ابعاد طرح را کوچک می کند. برای این کار یک دسته پرتو نور (اغلب نور فرابنفشِ یک لامپ جیوه) از ماسک عبور می کند و با استفاده از یک عدسی، تصویری روی سطح سیلیکون تشکیل می دهد. روی سیلیکون با لایه ای از جنس پلیمرهای آلی حساس به نور (فُتورِزیست) پوشانده شده است. قسمت هایی که نور دیده اند در فرآیند تثبیت حذف می شوند و طرحی معادل طرح اولیه روی سطح سیلیکون پدیدار می شود.

سؤال این است: چرا از فُتولیتوگرافی برای تولید نانوساختارها استفاده نکنیم؟ دو محدودیت در مقابل این فناوری وجود دارد. اول اینکه کوچک ترین طول موج فرابنفشی که در فرآیند تولید استفاده می شود ۲۵۰ نانومتر است. سعی در تهیهٔ ساختارهای با ابعاد کمتر از این طول موج، مانند سعی در خواندن نوشته های بسیار ریز است. پدیدهٔ «پراش» باعث محو شدن نوشته ها می شود.

اگر تا کنون پدیدهٔ پراش را ندیده اید کافی است از شکاف لابه لای انگشتان دستتان به یک لامپ مهتابی نگاه کنید. نوارهای تیره و روشنی که می بینید خاصیت موجی نور و پراشیده شدن آن را نشان می دهد.

پیشرفت های تکنیکی مختلف، محدودیت های فُتولیتوگرافی را کمی عقب رانده اند. کوچک ترین ساختارهایی که تولید انبوه شده اند، ابعادی در حدود
۱۰۰ نانومتر دارند. با این حال، این ابعاد هنوز برای دستیابی به بسیاری خواص جالب نانوساختارها به اندازهٔ کافی کوچک نیستند.



محدودیت دوم هم پیامد محدودیت اول است. چون از نظر تکنیکی تولید این ساختارها با نور بسیار دشوار است، انجام این کار بسیار گران تمام می شود. ابزارهای لیتوگرافی که برای ساخت عناصری با ابعاد کمتر از ۱۰۰ نانومتر به کار می روند هر کدام ۱۰ تا ۱۰۰ میلیون دلار ــ یعنی در حدود ۱۰ تا ۱۰۰ میلیارد تومان ــ قیمت دارند. صرف این هزینه شاید برای تولیدکنندگان منطقی نباشد، اما برای فیزیک دان ها، زیست شناسان، مهندسان مواد و شیمی دان ها که برای بررسی خواص سیستم های نانومتری به تولید ساختارهای با طراحی خودشان نیاز دارند، ضروری است.



● نانوچیپ های آینده


صنعت الکترونیک به طور جدی به دنبال پیاده کردن روش های جدید ساخت سیستم های نانومتری است تا بتواند به روند ساختن ابزارهای کوچک تر، سریع تر و ارزان تر ادامه دهد. طبیعی است که در قدم اول باید تلاش کنیم تا روش های موجود برای میکروالکترونیک را به نانوالکترونیک تعمیم دهیم. اما همان طور که گفتم، استفاده از روش معمولِ فُتولیتوگرافی در ابعاد ریزتر، بسیار دشوارتر است. به همین علت، تولیدکنندگان قعطات رایانه به دنبال فناوری های جایگزین برای ساخت نانوچیپ ها در آینده هستند.

لیتوگرافی پرتو الکترونی، یکی از جایگزین های پیش رو است. در این روش، طرح مدار با استفاده از پرتو الکترون روی لایهٔ نازکی از پلیمر نوشته می شود. پرتو الکترون در ابعاد اتمی پراشیده نمی شود، بنابراین لبه های طرح دیگر ناخوانا نیستند. محققان از این روش برای ترسیم خطوطی با پهنای چند نانومتر روی سطح سیلیکون آغشته به فوتورِزیست استفاده کرده اند. با این حال، ابزارهای پرتو الکترونی که امروزه وجود دارند، برای تولید انبوه در صنعت مناسب نیستند. زیرا این روش کُند است؛ کاری شبیه نسخه برداری از روی یک نوشته با دست.



اگر الکترون ها جوابگو نیستند، پس چه باید کرد؟ یک جواب دیگر، استفاده از اشعهٔ ایکس با طول موجی بین ۱/۰ تا ۱۰ نانومتر یا نور فرافرابنفش با طول موج بین ۱۰ تا ۷۰ نانومتر است. کوچک تر بودن طول موج این نورها از طول موج نور فرابنفش که اینک در فُتولیتوگرافی استفاده می شود، تأثیر پراش را کمتر می کند. با این حال، این فناوری ها هم مشکلات خاص خودشان را دارند. عدسی های معمولی نور در برابر نور فرا ـ فرابنفش دیگر شفاف نیستند و اشعهٔ ایکس را متمرکز نمی کنند. در عین حال، انرژی زیادِ این پرتوها به سرعت به مواد تشکیل دهندهٔ ماسک و عدسی ها آسیب می رساند. اما صنعت میکروالکترونیک، ترجیح می دهد از تعمیم روش های موجود برای تولید نانوچیپ ها استفاده کند. بنابراین، این روش ها به طور جدی در حال توسعه اند. بعضی از این روش ها ــ مثلاً استفاده از فُتولیتوگرافی پیشرفتهٔ فرا ـ فرابنفش برای ساخت مدار مجتمع ــ ممکن است به روش های پررونق تجاری تبدیل شوند. با این حال، با این روش ها نانوچیپ
های ارزان ساخته نمی شوند و نمی توان نانوفناوری را در دسترس تعداد بیشتری از مهندسان و دانشمندان قرار داد.



نیاز به سیستم های ساده تر و ارزان ترِ ساخت ابزار نانومتری، دانشمندان را به جست وجوی روش هایی متفاوت از آنچه در صنعت الکترونیک به کار می رود، ترغیب کرده است. «لیتوگرافی نرم» یکی از این روش هاست که بیشتر شبیه ساختن یک مهر لاستیکی از طرح مدار و چاپ آن با تماس مکانیکی است. روش دیگر که از میکروسکوپ نیروی اتمی استفاده می کند «لیتوگرافی قلمی» نام دارد که شبیه نوشتن با جوهر و پرِ قو است. دستهٔ دیگری از روش ها که به روش های «پایین به بالا» معروف اند، با رویکردی به کل متفاوت به تولید نانوساختارها می پردازند. در این روش ها اتم ها یک به یک در کنار هم قرار می گیرند تا ساختار مورد نظر ما را تشکیل دهند.


www.mostatil.ir

به این مطلب امتیاز دهید
اشتراک گذاری در telegram
اشتراک گذاری در whatsapp
اشتراک گذاری در facebook
اشتراک گذاری در email

فرصت ویژه برای علاقه مندان به نویسندگی

شما می توانید مقالات خود را با نام خود در وب سایت موسسه منتشر نمائید. برای شروع کلیک نمائید.

نویسنده مقاله باشید