لیتوگرافی، هنر ساختن در ابعاد کوچک
توسعه نانوفناوری بستگی به توان محققان در تولید کارآمد
ساختارهایی با ابعاد کمتر از 100 نانومتر (کمتر از یک هزارم قطر موی انسان)
دارد.
• فوتولیتوگرافی، فناوری‌ای است که هم‌اکنون برای ساخت مدار
روی میکروچیپ‌ها به کار گرفته می‌شود. کاربرد این فناوری را می‌توان به
تولید نانوساختارها تعمیم داد، ولی تغییرات لازم بسیار گران و از نظر
تکنیکی دشوارند.
• روش‌های ساخت سیستم‌های نانومتری دو دسته‌اند: بالا به پایین که با کندن مولکول‌ها از سطح ماده صورت می‌گیرد و پایین به بالا که با نشاندن اتم‌ها و مولکول‌ها در کنار هم ساختار نانویی به وجود می‌آورد.
• لیتوگرافی نرم و لیتوگرافی قلمی دو مثال از روش‌های مربوط به
بالا به پایین هستند. محققان با استفاده از روش‌های پایین به بالا در حال
ساخت نقاطی کوانتومی هستند که می‌توانند به عنوان رنگ‌های بیولوژیک به کار
روند.
میدانید آخرین بار کِی رایانه‌تان را ارتقا داده‌اید یا به
جای رایانة کُندِ قدیمی، رایانة جدیدی گرفته‌اید؟ اگر سرعت پردازنده‌ها را
بر اساس سالی که اولین‌بار به بازار عرضه شدند یادداشت کنید، شما هم
می‌توانید با رسم یک نمودار در کاغذ نیم‌لگاریتمی، به کشفِ دوبارة «قانون
مور» نائل آیید! قانون مور نشان می‌دهد که از سال 1970 تا کنون، سرعت
پردازنده‌ها هر 18 ماه دو برابر شده است. سرعت یک پردازنده ارتباط مستقیمی
با تعداد ترانزیستورهای به‌کاررفته در مدار مجتمع آن دارد. فکر می‌کنید
اندازة پردازندة سریعِ امروزِ شما از پردازندة کُندِ سه سال پیش بزرگتر
است؟ مسلم است که نه! علت این رشد سرسام‌آور، پیشرفت فناوری و قابلیت
دسترسی بشر به توان طراحی و گنجاندن تعداد بیشتری ترانزیستور در واحد سطح
است. این رقم برای پردازنده‌های امروزی به بیشتر از 10 میلیارد ترانزیستور
در یک سانتیمتر مربع می‌رسد. می‌توانید طول یک ترانزیستور را تخمین بزنید؟
اگر به عدد 100 نانومتر رسیده‌اید، محاسبة شما درست است. اما 100 نانومتر
طول رشته‌ای است که فقط از 500 اتم سیلیکون تشکیل شده باشد. با این اطلاعات
فکر می‌کنید آیا باز هم بشر قادر است به این رشد سریع ادامه دهد؟
اگر بخواهیم به همین ترتیب پیش برویم، تا سال 2010 طول هر
ترانزیستور از 50 اتم و تا سال 2015 حتی از 5 اتم هم کمتر خواهد شد. همین
واقعیت است که ایدة ساختن نانوساختارها با ابعاد چند اتم را هم برای
دانشمندان و هم برای شرکت‌ها بسیار جذاب کرده است.
روش معمول تولید
در سال‌های اخیر دانشمندان روش‌های مختلفی برای ایجاد
نانوساختارها پیدا کرده‌اند، اما این روشها در حال حاضر در مرحلة آزمونِ
کارآیی و توانمندی‌اند. «فُتولیتوگرافی»، فناوری‌ای که امروزه برای ساخت
پردازنده‌های رایانه و می‌توان گفت تمام انواع مدارهای مجتمع به کار گرفته
می‌شود، قابلیت ارتقا برای تولید ساختارهایی در ابعاد کمتر از 100 نانومتر
دارد. اما انجام این کار بسیار مشکل، گران و پردردسر است. برای پیدا کردن
روش‌های جایگزین، محققانِ ساخت سیستم‌های نانومتری, در حال بررسی هزاران
ایده و صدها روش هستند، تا شاید یکی از آنها جواب بدهد.
ابتدا به سراغ سودمندی‌ها و کاستی‌های فُتولیتوگرافی می‌رویم.
تولیدکنندگانِ مدارهای مجتمع در دنیا از این شیوة بسیار کارآمد برای تولید
بیش از 10 میلیارد ترانزیستور در هر ثانیه استفاده می‌کنند. ارزش تولیدات
صنعتی با استفاده از تنها این یک فناوری، به بیش از 140 میلیارد دلار در
سال می‌رسد. فُتولیتوگرافی در اصل تعمیم‌یافتة عکاسی است. ابتدا چیزی شبیه
نگاتیو عکاسی از شِمای مدار مجتمع تهیه می‌شود. این نگاتیو ــ که در اینجا
«ماسک» نامیده می‌شود ــ برای تکثیر طرح بر روی هادی‌ها و نیمه‌هادیها به
کار گرفته می‌شود. تهیة نگاتیو به سادگی عکاسی نیست، اما با داشتن آن
می‌توان به‌راحتی هزاران نسخه تکثیر کرد. بنابراین، روند کار به دو بخش
اصلی تقسیم می‌شود: اول تهیة ماسک (که می‌تواند کُند و هزینه‌بر باشد)، و
دوم استفاده از ماسک برای تهیة نسخه‌های بعدی (که باید سریع و ارزان باشد).
برای تولید ماسکِ یک قطعة رایانه‌ای، ابتدا شِمای مدار در
مقیاس به‌نسبت بزرگ طراحی می‌شود. سپس این طرح به صورت لایة نازکی از فلز
(اغلب کُروم) روی صفحة شفافی (اغلب شیشه یا سیلیکون) درمی‌آید که در مجموع
به آن «ویفر» گفته می‌شود.
سپس فُتولیتوگرافی، در فرآیندی شبیه آنچه در
تاریکخانة عکاسی اتفاق می‌افتد، ابعاد طرح را کوچک می‌کند. برای این کار یک
دسته پرتو نور (اغلب نور فرابنفشِ یک لامپ جیوه) از ماسک عبور می‌کند و با
استفاده از یک عدسی، تصویری روی سطح سیلیکون تشکیل می‌دهد. روی سیلیکون با
لایه‌ای از جنس پلیمرهای آلی حساس به نور (فُتورِزیست) پوشانده شده است.
قسمت‌هایی که نور دیده‌اند در فرآیند تثبیت حذف می‌شوند و طرحی معادل طرح
اولیه روی سطح سیلیکون پدیدار می‌شود.
سؤال این است: چرا از فُتولیتوگرافی برای تولید نانوساختارها
استفاده نکنیم؟ دو محدودیت در مقابل این فناوری وجود دارد. اول اینکه
کوچک‌ترین طول موج فرابنفشی که در فرآیند تولید استفاده می‌شود 250 نانومتر
است. سعی در تهیة ساختارهای با ابعاد کمتر از این طول موج، مانند سعی در
خواندن نوشته‌های بسیار ریز است. پدیدة «پراش» باعث محو شدن نوشته‌ها
می‌شود.
(اگر تا کنون پدیدة
پراش را ندیده‌اید کافی است از شکاف لابه‌لای انگشتان دستتان به یک لامپ
مهتابی نگاه کنید. نوارهای تیره و روشنی که می‌بینید خاصیت موجی نور و
پراشیده شدن آن را نشان می‌دهد)
پیشرفت‌های تکنیکی مختلف، محدودیت‌های فُتولیتوگرافی را کمی
عقب رانده‌اند. کوچک‌ترین ساختارهایی که تولید انبوه شده‌اند، ابعادی در
حدود 100 نانومتر دارند. با این حال، این ابعاد هنوز برای دستیابی به
بسیاری خواص جالب نانوساختارها به اندازة 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
می‌شود. ابزارهای لیتوگرافی که برای ساخت عناصری با ابعاد کمتر از 100
نانومتر به کار می‌روند هر کدام 10 تا 100 میلیون دلار ــ یعنی در حدود 10
تا 100 میلیارد تومان ــ قیمت دارند. صرف این هزینه شاید برای تولیدکنندگان
منطقی نباشد، اما برای فیزیک‌دان‌ها، زیست‌شناسان، مهندسان مواد و
شیمی‌دان‌ها که برای بررسی خواص سیستم‌های نانومتری به تولید ساختارهای با
طراحی خودشان نیاز دارند، ضروری است.
نمونه هایی از نانولیتوگرافی، به مقیاس‌ها دقت کنید.
نانوچیپ‌های آینده
صنعت الکترونیک به طور جدی به دنبال پیاده کردن روش‌های جدید
ساخت سیستم‌های نانومتری است تا بتواند به روند ساختن ابزارهای کوچک‌تر،
سریع‌تر و ارزان‌تر ادامه دهد. طبیعی است که در قدم اول باید تلاش کنیم تا
روش‌های موجود برای میکروالکترونیک را به نانوالکترونیک تعمیم دهیم. اما
همان‌طور که گفتم، استفاده از روش معمولِ فُتولیتوگرافی در ابعاد ریزتر،
بسیار دشوارتر است. به همین علت، تولیدکنندگان قعطات رایانه به دنبال
فناوری‌های جایگزین برای ساخت نانوچیپ‌ها در آینده هستند.
لیتوگرافی پرتو الکترونی، یکی از جایگزین‌های پیش رو است. در
این روش، طرح مدار با استفاده از پرتو الکترون روی لایة نازکی از پلیمر
نوشته می‌شود. پرتو الکترون در ابعاد اتمی پراشیده نمی‌شود، بنابراین
لبه‌های طرح دیگر ناخوانا نیستند. محققان از این روش برای ترسیم خطوطی با
پهنای چند نانومتر روی سطح سیلیکون آغشته به فوتورِزیست استفاده کرده‌اند.
با این حال، ابزارهای پرتو الکترونی که امروزه وجود دارند، برای تولید
انبوه در صنعت مناسب نیستند. زیرا این روش کُند است؛ کاری شبیه نسخه‌برداری
از روی یک نوشته با دست.
اگر الکترون‌ها جوابگو نیستند، پس چه باید کرد؟ یک جواب دیگر،
استفاده از اشعة ایکس با طول موجی بین 1/0 تا 10 نانومتر یا نور فرافرابنفش
با طول موج بین 10 تا 70 نانومتر است. کوچک‌تر بودن طول موج این نورها از
طول موج نور فرابنفش که اینک در فُتولیتوگرافی استفاده می‌شود، تأثیر پراش
را کمتر می‌کند. با این حال، این فناوری‌ها هم مشکلات خاص خودشان را دارند.
عدسی‌های معمولی نور در برابر نور فرا ـ فرابنفش دیگر شفاف نیستند و اشعة
ایکس را متمرکز نمی‌کنند. در عین حال، انرژی زیادِ این پرتوها به‌سرعت به
مواد تشکیل‌دهندة ماسک و عدسی‌ها آسیب می‌رساند. اما صنعت میکروالکترونیک،
ترجیح می‌دهد از تعمیم روش‌های موجود برای تولید نانوچیپ‌ها استفاده کند.
بنابراین، این روشها به طور جدی در حال توسعه‌اند. بعضی از این روشها ــ
مثلاً استفاده از فُتولیتوگرافی پیشرفتة فرا ـ فرابنفش برای ساخت مدار
مجتمع ــ ممکن است به روش‌های پررونق تجاری تبدیل شوند. با این حال، با این
روشها نانوچیپ‌های ارزان ساخته نمی‌شوند و نمی‌توان نانوفناوری را در
دسترس تعداد بیشتری از مهندسان و دانشمندان قرار داد.
نیاز به سیستم‌های ساده‌تر و ارزان‌ترِ ساخت ابزار نانومتری،
دانشمندان را به جست‌وجوی روش‌هایی متفاوت از آنچه در صنعت الکترونیک به
کار می‌رود، ترغیب کرده است. «لیتوگرافی نرم» یکی از این روش‌هاست که بیشتر
شبیه ساختن یک مهر لاستیکی از طرح مدار و چاپ آن با تماس مکانیکی است. روش
دیگر که از lمیکروسکوپ نیروی اتمی
استفاده می‌کند «لیتوگرافی قلمی» نام دارد که شبیه نوشتن با جوهر و پرِ قو
است. دستة دیگری از روشها که به روش‌های «پایین به بالا» معروف‌اند، با
رویکردی به‌کل متفاوت به تولید نانوساختارها می‌پردازند. در این روشها
اتم‌ها یک‌به‌یک در کنار هم قرار می‌گیرند تا ساختار مورد نظر ما را تشکیل
دهند.
منبع: باشگاه نانو
کوروش