ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК т. 73, № 5, с. 389 (2003)

В течение последних 15 лет очень бурно развивается новое направление в электронике - вакуумная микроэлектроника. Это направление ведет, во-первых, к разработке новых электронных пушек для известных СВЧ-приборов (клистронов, магнетронов, ЛБВ, ЛОВ и др.) и к созданию принципиально новых СВЧ-приборов. Во-вторых, вакуумная микроэлектроника дает возможность конструировать новые эффективные дисплеи и плоские экраны. В-третьих, здесь возможно создание новых типов специальных процессоров для обработки информации. Чрезвычайно важной отличительной особенностью перечисленных выше приборов является то, что они могут работать при повышенных температурах (до ~1000°С, например, на поверхности планеты Венера), в условиях интенсивной радиации и сильного электромагнитного излучения.

Основная используемая структура представляет собой решетку острийных (или лезвийных) холодных автокатодов, формирующую матрицу диодных или триодных электронно-оптических микроструктур. В качестве эмиттеров используются кремниевые или молибденовые атомарно заостренные конусы или лезвия, изготовлением которых занимается современная фотолитография и другие прецизионные технологии.

В настоящее время для большинства случаев практического применения необходимо увеличение тока с одной микроструктуры на один-два порядка и умньшение не менее чем на порядок напряжения на управляющем электроде. В связи с этим идет активный поиск новых эмиссионных материалов и конструкций.

В докладе мы представляем новый материал для эмиссионной электроники, который изучается вот уже девять лет, - углеродные нанотрубные и нанокластерные пленки.

После открытия в 1985 г. У. Крото, Р. Смолли и Р. Керлом новой аллотропной фазы углерода - гипермолекулы C₆₀, названной фуллереном, - изучение данного материала стало одним из самых популярных направлений исследований в физике и химии твердого тела. Были обнаружены и изучены другие стабильные гипермолекулы углерода такого типа - С₇₀, C₇₆, C₈₄, C96. Все они имеют сферическую форму и состоят из шестиугольных и пятиугольных ячеек и имеют диаметр ~1нм.

В 1991 г. было доказано, что под действием внешних сил сферическая молекула C₆₀ может приобрести бочкообразную форму [1]. Далее он показал, что возможно состояние гипермолекулы углерода в виде нанотрубки, закрытой на концах "шапочками" из половинок гипермолекулы C₆₀ [2]. Приведенный вариант углеродных гипермолекул он назвал "тубеленами" (от английского tube - трубка). В этой же статье было помещено изображение в электронном микроскопе нано-трубной углеродной структуры, полученной экспериментально методом распыления графита электронным лучом. Структура представляла собой пленку толщиной около 1 нм (примерно 10 A) и длиной - порядка 100 нм во всю толщину пленки. Более подробно данная экспериментальная работа с некоторыми теоретическими дополнениями была описана в 1992 г. [3].

Независимо от перечисленных выше работ, в 1991 г. японский специалист в области электронной микроскопии С. Инджима, изучая материал, высаживающийся на катоде при получении фуллеренов методом электродугового разряда, обнаружил там многослойные нанотрубки [4]. С тех пор углеродные нанотрубки интенсивно изучаются во всем мире [5].

Как видно из типичных картинок, полученных на сканирующем туннельном микроскопе (рис. 1), углеродные нанотрубки (тубелены), как однослойные (А-типа), так и многослойные (В-типа), имеют разную длину (разница составляет ~10нм и более), и как правило, оказываются "обломанными" то есть не имеют "шапочек" C₆₀. Таким образом, поверхность тубеленовой пленки представляет собой плоскость, усеянную остриями нанометрового диаметра, причем плотность упаковки острий может достигать 10¹²-10¹⁴ штук на 1 см² При приложении электрического поля эти острия могут стать источниками автоэлектронной эмиссии. Это навело меня и моих коллег на мысль об использовании таких пленок в качестве эмиттеров электронов в вакуум. Идея была высказана и реализована нами в 1993 г. и первые результаты опубликованы в начале 1994 г. [5] и представлены на VII Международную конференцию по вакуумной микроэлектронике состоявшуюся в июле 1994 г. в Гренобле. Схема эксперимента приведена на рис. 1.

Рис. 1. Полевая эмиссия электронов из углеродных нанотрубок (тубеленов)

На рис. 2 даны типичные вольт-амперные характеристики для пленок из тубеленов типа А и В. Видно, что эмиссионная способность тубеленных, состоящих из углеродных нанотрубок, пленок весьма высока. Плотность автоэмиссионного тока имеющихся в настоящее время улеродных на-нотрубных пленок достигает 10 А/см²  при средней напряженности поля вблизи поверхности пленки порядка 30-50 в/мкм [5].

Рис. 2. Вольт-амперные характеристики автоэлектронной эмиссии
из углеродных нанотрубных пленок, выращенных методом CVD

На рис. 2(б) эти же вольт-амперные характеристики построены в соответствии с формулой Фаулера-Нордгейма для тока автоэлектронной эмиссии. Там же приведены известные из литературы данные для кремниевых острий и алмазоподобных пленок (например [6]). Малый наклон линий доказывает, что работа выхода из углеродных нанотрубных пленок существенно ниже, чем из кремниевых острий и алмазоподобных пленок. Эта работа составляет порядка 1 эв (в отличие от 4.37 эв для обычного углерода).

На рис. 3 показаны вольт-амперные характеристики автоэлектронной эмиссии из углеродных нанотрубных пленок, выращеных CVD-методом. Видно, что эмиссия может начинаться при сравнительно низких напряжениях.

Нанокластерные углеродные пленки, полученные CVD-методом при распылении графита в аргоновой плазме, дают автоэмиссионные характеристики нанотрубных пленок, но при несколько более высоких полях. Они механически гораздо более стабильны, обеспечивают импульсные автоэмиссионные токи вплоть до 4 А/см² и имеют при этих условиях время жизни порядка 2000 час.

Благодаря совместным разработкам Института общей физики. Института радиотехники и электроники РАН и Научно-исследовательского института "Волга" в г. Саратове, уже существуют действующие макеты дисплеев с использованием углеродных нанотрубных и нанокластерных пленок. Таким образом, наряду с фундаментальными исследованиями углеродных нанотрубных и нанокластерных катодов широко проводятся работы прикладного характера по созданию соответствующих приборов и устройств вакуумной микро- и наноэлектроники.

ЛИТЕРАТУРА

1. Chernozatonskii L.A. A New Nonfullerene Form of C₆₀ and its Doped Metal Solids // Phys. Lett. 1991. A 160. P. 392.

2. Chernozatonskii L.A. Barrelenes/tubelenes - a New Class of Cage Carbon Molecules and its Solids // Phys. Lett., 1992. A 166. P. 55-60.

3. Косаковская З.Я., Чернозатонский Л.А., Федоров Е.А. Нановолоконная углеродная структура // Письма в ЖЭТФ. 1992. Т. 56. Вып. 1.

4. lijima S. Helical Microtubules of Graphitic Carbon // Nature. 1991. V. 354. P. 56.

5. Gulyaev Yu.V., Chernozatonskii L.A., Kosakovskaya Z.Ya., Sinitsyn N.I., Torgashov G.V., Zakharchenko Yu.F. Field Emitter Arrays on Nanofilament Carbon Structure Films // Revue "Le Vide, Les Couches Minces". 1994. № 271.

6. Sinitsyn N.I., Gulyaev Yu.V., Torgashov G.V. et al. Thin Films Consisting of Carbon Nanotubes as a New Material for Emission Electronics // Documentation of International Vacuum Electron Sources Conference (IVESC '96), Eindhoven, Netherlands. Applied Surface Science. 1997. №111.

---

---

Июнь 2003

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК т. 73, № 5, с. 392 (2003)

Обилие природных нанообъектов свидетельствует о выделенности наномира и перспективности работ по стимуляции самоорганизации и управляемого роста наноструктур. Примерами направленного формирования наноструктур могут служить полупроводниковые пленки нанометровой толщины и сверхрешетки, без которых немыслима современная электроника и многослойные зеркала для управления излучением экстремального ультрафиолетового и рентгеновского диапазонов.

На вопрос: можно ли делать так, чтобы все размеры, а не только толщина, не превышали нанометров? - уже дан положительный ответ. После того, как были построены приборы, позволяющие видеть отдельные атомы, - ионный проектор, электронный и зондовый микроскопы, немедленно начались работы по созданию наноструктур и даже наносхем. Но в электронной промышленности эти методы не могут конкурировать с традиционными. В мире добываются миллионы тонн кремния, значительная часть которого потребляется электронной промышленностью, и процессы получения рисунка с производительностью меньше 10 см²/с всерьез не рассматриваются.

Обычно рисунок будущих приборов и схем делается так. Сначала тем или иным путем изготавливается увеличенное изображение (маска) прибора, которое потом с уменьшением переносится на полупроводниковую пластинку, покрытую фоточувствительным слоем, то есть фотографируется с уменьшением. Дальнейший процесс изготовления прибора весьма сложен и включает много циклов травления и осаждения новых слоев различных материалов, но почти перед каждой операцией требуется нанесение фоточувствительного слоя (резиста) и фотографирование маски с каким-то новым рисунком. Процесс получения рисунка называют литографией, а установки, на которых это делают, - литографами.

Переход ко все более и более мелким размерам идет за счет совершенствования оптических схем и вспомогательных процессов. Когда возможности исчерпаны, переходят на все более короткие длины волн. Так были освоены диапазоны 248 нм и 193 нм, осваивается диапазон 157 нм. Как правило, события развиваются по следующему сценарию: сначала возникает нужный источник излучения, потом разрабатывается оптика, резис-ты, установки для экспонирования и начинается промышленное освоение диапазона. После освоения диапазона 157 нм подобный сценарий станет невозможным, так как более коротковолновое излучение сильно поглощается всеми веществами. Можно думать только об использовании зеркальной оптики, размещенной в вакууме.

Многослойные зеркала - одно из самых эффективных средств для управления экстремальным ультрафиолетовым и рентгеновским излучениями. Заметим, что диапазон, в которых они используются, очень широк (рис. 1). Если самые большие длины волн этого диапазона поделить на самые короткие, получится 3000 (для сравнения: в видимом диапазоне это отношение около 2). Естественно, в таком широком диапазоне происходит много природных явлений.
 

Из этого диапазона нам предстояло выбрать длину волны для нанолитографии. Конечно, чем короче длина волны, тем лучше, однако для качественного воспроизведения рисунка маски объектив должен состоять из зеркал нормального падения, а это значит, что толщина двух слоев разных материалов должна быть равна половине длины волны излучения. Потому есть естественный предел длины волны для нанолитографии - это мономолекулярные слои. На практике предел наступает раньше и ограничивает рассматриваемую область со стороны коротких волн тем, что на рис. 1 обозначено как "окно прозрачности воды". Поскольку объективы предполагаются многозеркальными, а коэффициенты отражения (они всегда меньше единицы) перемножаются, для минимизации потерь нужен максимально большой коэффициент отражения каждого зеркала. Эти требования однозначно указывают на длину волны вблизи 13 нм *, на которой в настоящее время следует строить нанолитографию. Зеркала на этой длине волны сами являются наноструктурами - системой чередующихся пленок молибдена и кремния с периодом 6.5 нм.

* Более точно длина волны зависит от материала мишени. В настоящее время большинство предлагает ксенон, максимум излучения которого лежит на 13.5 нм.

Источниками излучения могут быть синхротрон или плазма, разогретая лазерным импульсом либо электрическим разрядом. В первом литографе (a-Tool), изготовленном в США, для получения излучения на длине волны 13 нм используется лазерный разогрев мишени. Оптическая схема литографа с синхротронным источником показана на рис. 2.

Программы создания литографии на 13 нм существуют в США, Европейском союзе и Японии. Европейская программа несколько отстает от американской, хотя европейцы надеются почти одновременно с США придти к промышленному применению. В нашей стране развитие литографии на длине волны 248 ими 193 нм пришлось на смутное время. В литографии на длине волны 157 нм мы безнадежно отстали, и только наши работы в диапазоне 13 нм, благодаря хоздоговорному участию в европейской программе, выглядят прилично. Наши институты или группы ученых получают заказы на создание опытных образцов или технологий. Их использование и дальнейшее промышленное производство планируется за рубежом, но, насколько я знаю, все оговаривают право на применение результатов собственных исследований на территории России. Чтобы дать некоторое представление о положении дел, перечислю актуальные проблемы создания высокопроизводительной (V_exp > 10 см²/с) установки EUV-литографии с разрешением до 30 нм и отечественные организации, занимающиеся решением этих проблем в основном на деньги европейской программы:

• создание источника излучения - Институт спектроскопии РАН, Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований. Институт лазерной физики, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН;

• оптимизация оптической схемы - Ленинградский институт точной механики и оптики, РНЦ "Государственный оптический институт";

• создание основы зеркал, точность формы поверхности ~0.1 нм, микронеровностей ~0.2 нм - ГУП ЦКБ "Фотон", Институт лазерной физики;

• создание отражающих покрытий с R > 70% - Институт физики микроструктур РАН;

• создание методов компенсации напряжений в зеркалах - Институт физики микроструктур РАН;

• создание высокочувствительных резистов с пространственным разрешением до 30 нм - Институт химии Нижегородского государственного университета, Институт физики микроструктур РАН;

• создание отражающих масок с апертурой до 300 мм при плотности дефектов <10^-2 см^-2 - Институт физики микроструктур РАН;

• создание системы юстировки и совмещения рисунков на маске и резисте (точность позицирования <20 нм) - в СССР такие работы были сосредоточены в Минске.

Сейчас самое время собирать результаты, но, переданные за границу, они будут жить по своим законам, а наши представления о развитии нанолитографии без поддержки будут устаревать.

Вопрос о десятикратном повышении точности формы и ровности поверхности не решишь без создания новых средств измерения и новых технологий. Распространение их в другие области науки и техники приведет к качественным изменениям, а отсутствие этого сделает неконкурентоспособным большинство наших производств.

Начиная приблизительно с 15 нм, существенными будут эффекты размерного квантования, что заставит изменить логику построения электронных схем и, возможно, принципы создания вычислительной техники. Если не принять сейчас решительных действий, мы можем остаться не в той цивилизации. На мой взгляд, это имеет то же значение, как быть или не быть членом ядерного клуба.

В то же время, если не разбрасываться и, по примеру США, объединить действительно работающих в данном направлении в некую виртуальную лабораторию (по моим оценкам, это около 100 человек) и финансировать в течение пяти лет их работу из расчета 50 тыс. долл. на человека в год (меньшее не позволит приобретать и заказывать необходимое для успешной работы оборудование), сейчас еще не поздно решить проблему развития наноэлектроники и атомноточных технологий.

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК т. 73, № 5, с. 395 (2003)

Важнейший процесс в микро- и наноэлектронных производствах - литография. Стоимость процесса литографии, повторяющегося при производстве интегральной схемы до 20-25 раз, является определяющей в стоимости кристалла. В настоящее время есть уверенность в том, что прогресс в массовом производстве будет определяться развитием оптических степперов или степперов-сканеров с эксимерными лазерными источниками света на длинах волн 248, 193.4, 157 нм и, наконец, степперов в области так называемого экстремального ультрафиолета или мягкого рентгена на длине волны 13.4 нм (табл. 1). Это обеспечит возможность создания интегральных схем, сложность которых исчисляется миллиардами вентилей на одном кристалле.
 

Основным прибором таких схем является МДП-нанотранзистор, который сохраняет свои усилительные свойства вплоть до длин канала 5 нм. Этот прибор наноструктурный во всех трех измерениях. Рабочие слои нанотранзистора имеют размеры 1-10 нм. Представляет большой интерес и одноэлектронный транзистор, который способен функционировать при комнатной температуре, если размер его элементов (островков) составляет по порядку величины 1 нм. Создание технологии изготовления регулярных полей таких островков открыло бы перспективу разработки одноэлектронных устройств памяти емкостью 1 Тбит.

Наряду с оптической литографией получили развитие методы, с помощью которых уже теперь формируются отдельные наноструктуры и прототипы устройств (схем) на наноэлектронных приборах - ИМПРИНТ и электронная литография (табл. 2). Кроме того, использование современной оптической литографии в сочетании с приемами самоформирования и самосовмещения, а также прецизионных плазменных процессов позволяет реализовать нанотранзисторы с длинами каналов в суб-100 нм диапазоне, а на их основе создавать библиотеки элементов микропроцессоров, прототипы функциональных блоков для перспективных производств.

Рис. 1. Схема многослойной структуры в исходном состоянии (а), после облучения протонами (б) и дозовая зависимость электросопротивления многослойной структуры в процессе облучения (в) 1 - слой Со (верхний), 2 - слой Сu (нижний)

ИМПРИНТ-литография основана на использовании штампа с нанорельефом, играющего ту же роль, что и шаблон в контактной оптической литографии. Штамп изготавливается методом электронной литографии и анизотропного плазмохимического травления. Нанорельеф "впечатывается" в полимер, покрывающий подложку, в условиях нагрева и высокого давления. Полимер с нанорельефом служит маской в последующих операциях (травление, имплантация и т.д.). С помощью этого метода была продемонстрирована возможность создания рекордных по разрешению и плотности структур. При этом достигнутое разрешение составляет около 6 нм, а расстояние между элементами структуры - 20-30 нм [1, 2]. Главные ограничения метода заключаются в трудностях совмещения штампов для формирования различных слоев структуры. Обычно число литографий в процессе производства интегральных схем достигает 20-25. Поэтому наиболее эффективной ИМПРИНТ-литография может быть, если для создания наноструктуры необходим только один процесс литографии, а для формирования остальных слоев структуры возможно использование приемов самосовмещения, ставших уже привычными в технологии КМОП-схем.

Новый подход к формированию наноструктур, успешно сочетающийся с ИМПРИНТ-процессом, развит в РНЦ "Курчатовский институт" и основан на явлении селективного удаления атомов определенного сорта из двух- или многоатомных веществ в результате смещений атомов пучком ускоренных частиц [3]. Такая модификация приводит к радикальным изменениям физических свойств материала, например, к переходу изоляторов - в металлы или полупроводники, немагнитных материалов - в магнитные, оптически прозрачных материалов - в оптически непрозрачные, позволяет формировать заданный рельеф на поверхности твердых тел и т.д. [4-6]. Метод дает возможность создавать одновременно многослойные структуры с различной геометрией, физическими и функциональными свойствами в разных слоях за счет облучения ионным пучком через одну и ту же маску, что обеспечивает совмещение элементов структуры в различных слоях с точностью около 1 нм [6]. В результате возможно использование только одной маски (только одного штампа в ИМПРИНТ-процессе) для одновременной обработки нескольких слоев в многослойной структуре (рис. 1). Авторами работ [4-6] продемонстрировано разрешение 15 нм при создании многослойных наноструктур.

В электронной нанолитографии используют высокоэнергетичные пучки (100-200 эВ) сечением до 1-10 нм. На органических (например, ПММА) и неорганических резистах реализуется разрешение до 10 нм. Главным ограничением электронной нанолитографии является низкая производительность. Электронно-лучевая литография развита в Институте проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН [7], создан электронно-лучевой высоковольтный микрофабрикатор с пучком диаметром не более 20 нм, обеспечивающий "врисовывание" наноэлементов, например затворов полевых транзисторов, длиной 50-100 нм в заранее созданные оптической литографией контуры остальных областей транзисторной структуры. Другой пример применения электронной нанолитографии - разработка сверхчувствительного датчика Холла [8]. Для его изготовления использовалась гетероструктура GaAlAs/GaAs с двумерным электронным газом. Благодаря высокой подвижности в холловском кресте реализуется баллистический транспорт электронов, а выходной сигнал становится пропорциональным средней величине магнитного поля в области чувствительности датчика и не зависит от пространственного распределения поля.
 

Рис. 2. Центральная часть рабочего образца со сверхпроводящим алюминиевым кольцом и сужением (а) и кривые намагниченности двух колец при температуре 0.3 К (б) Верхняя кривая соответствует кольцу, приведенному на фотографии, нижняя - сплошному кольцу без сужения; каждый скачок на верхней кривой соответствует проникновению в кольцо одного кванта магнитого потока

На рис. 2а показана центральная часть рабочего образца, где объектом исследования является сверхпроводящее алюминиевое кольцо со "слабым" участком, то есть с сужением. Ширина холловского датчика около 1.5 мкм. Размеры узкого места в кольце шириной 0.2 мкм составляют 0.1х0.1 мкм. Процесс изготовления датчика включает в себя две фотолиграфии, две электронные литографии, два этапа жидкостного травления через маски, многослойную металлизацию контактов Cr/Ge/Au/Cr/Au, формирование отжигом омического контакта к слою с двумерной проводимостью, залегающему на глубине порядка 100 нм. Ошибка совмещения слоев на этапе электронной литографии не превышает 50 нм. На рис. 2б приведены фрагменты кривых намагниченности двух колец при температуре 0.3 К. Верхняя кривая соответствует кольцу, показанному на фотографии; нижняя - сплошному кольцу без сужения. Каждый скачок на верхней кривой соответствует проникновению в кольцо одного кванта магнитного потока (f₀). Уровень шума в экспериментах соответствует изменению внешнего поля на величину порядка 10^-2 Гс, то есть для датчика площадью 2 мкм² чувствительность составляет 10^-3f₀.

Формирование суб-100 нм структур возможно с помощью оптической литографии, например, доступной в промышленности литографии на i-линии ртутной лампы. В Физико-технологическом институте РАН для получения затворов нанотранзисторов длиной 35-40 нм используется прием самосовмещения [9], основанный на формировании хорошо контролируемого "подтрава" тонкой металлической пленки заданной толщины под резист, резкость края которого обеспечивается специальной плазменной обработкой (рис. 3). Это позволило создать оригинальный технологический маршрут для производства нанотранзисторов и интегральных схем на их основе с применением только оптической литографии [10].

Рис. 3. Схема формирования суб-100 нм щели а - литография по фоторезисту, б - контролируемый под-трав металлической пленки под резист, в - нанесение металлической пленки, г - удаление фоторезиста методом "взрыва", д - фотография структуры на стадии (в)

Важную роль в нанотехнологии играют плазменные процессы. В современной технологии кремниевых интегральных схем плазменные процессы следуют за каждой литографией. В промышленном производстве используются технологические установки - кластеры, объединяющие несколько плазмохимических камер. Необходимо не только воссоздать наноразмеры в фоторезисте, но и сформировать наноструктуры в рабочих слоях (например, в SiO₂,  Si₃N₄ или в Si). Возможности применения плазменных процессов постоянно расширяются. Это - высокоанизотропное травление отдельных слоев наноструктур, низкотемпературное осаждение диэлектриков, удаление фоторезиста, очистка поверхности пластин от органических загрязнений и атомов тяжелых металлов, планаризация, ионная имплантация и др. Технологии и прототипы оборудования для их реализации разработаны в Физико-технологическом институте РАН на основе новых типов широкоапертурных источников плотной плазмы, обеспечивающих равномерные потоки ионов и электронов (по плотности и температуре) на пластины большого диаметра. Продемонстрировано высокоанизотропное глубокое травление нанощелей шириной до 35-40 нм в SiO₂.

Разработан плазмо-иммерсионный ионный имплантер (рис. 5), который позволяет формировать р-n переходы стока и истока нанотранзисторов с глубиной залегания 10-60 нм при ускоряющих напряжениях 0.5-5 кВ [11]. Методом плазмостимулированного осаждения получены тонкие слои кремнийсодержащих диэлектриков при комнатной температуре подложки [12].

Все большее значение в наноэлектронике обретает моделирование нанотехнологических процессов и приборов. Современные вычислительные средства позволяют осуществлять моделирование такого процесса, как рост тонкой пленки, в том числе из первых принципов, отслеживая послойный рост. Это тем более актуально, что толщина тонких пленок в наноструктурах достигает 1 нм, например, толщина подзатворного диэлектрика в су б-100 нм МДП-транзисторе. Такие работы развиты в РНЦ "Курчатовский институт" и в Физико-технологическом института РАН.

Особая роль моделирования в нанотехнологии определяется тремя факторами. Во-первых, сравнительно небольшие размеры нанообъектов позволяют использовать атомистическое моделирование для описания образования, структуры и свойств объекта. Во-вторых, атомистическое моделирование, как правило, основано на первых принципах, что делает этот подход предсказа-тельным и, в известном смысле, независимым от эксперимента источником фундаментальных знаний о структуре и свойствах нанообъектов. В-третьих, размеры нанообъектов являются промежуточными между размерами молекулярных и протяженных систем. Исследование нанообъектов традиционными экспериментальными методами затруднительно, так как результаты этих исследований (например, результаты, полученные методами туннельной или атомносиловой микроскопии) нуждаются в надежной теоретической интерпретации с использованием атомистических методов. Особый интерес для атомистического моделирования представляют твердотельные наноструктуры: квантовые точки и провода, атомные кластеры, сверхтонкие пленки, нанот-рубки, фуллерены и т.п.

Для атомистического моделирования используют квантово-химические и молекулярно-динамические методы. Они позволяют предсказывать различные физико-химические свойства и структуру большого класса наноразмерных систем. Для описания кинетики образования нанообъектов, а также зависимостей структуры и свойств нанообъектов от условий их получения используются методы кинетического Монте-Карло, молекулярно-динамические методы, а также новые гибридные методы, с помощью которых моделируют реальные процессы формирования и роста наноструктур. Примером успешного применения атомистического моделирования служат работы, направленные на описание процессов роста и свойств диэлектрических пленок [13, 14] для новых поколений интегральных микросхем на основе КМОП-технологии. Исследование выполнено в РНЦ "Курчатовский институт" в рамках развитого в [13] подхода - кМС-DR, основанного на комбинировании метода кинетического Монте-Карло с молекулярно-динамическим. Моделирование позволяет описать структуру пленки ZrO₂ и интерфейса между пленкой и подложкой (рис. 6), определить ее химический и фазовый состав, а также исследовать электрические свойства.

Нанообъекты являются составной частью макросистем. Этим объясняется необходимость развития многоуровневых методов описания, совмещающих в себе атомный, мезоскопический и макроскопический масштабы. Такие подходы используются для описания перспективных технологий: молекулярно-лучевой эпитаксии, послойного химического осаждения, осаждения, стимулированного плазмой, плазменного и ионного травления.

Еще одна специфическая особенность моделирования наносистем - необходимость учета статистических и квантовых флуктуаций в их поведении. Это связано с относительно небольшим числом частиц, составляющих такие системы. При моделировании нанообъектов и наноприборов, а также построении соответствующих вычислительных моделей приходится во многих случаях использовать методы квантовой и классической статистики. Необходимость практического применения этих методов моделирования требует их дальнейшего развития: совершенствования методов и алгоритмов, создания интегрированных пакетов компьютерных программ, включающих базы данных, совершенствования методов обработки и визуализации получаемых результатов.

1. Chou S., Krauss P., Zhang W. et al. Sub-10 nm imprint lithography and applications // J. Vac. Sci. Technol. 1997. В 15(6). P. 2897-2904.

2. Carcenac F., Vieu С., Lebib A. et al. Fabrication of high density nanostructures gratings (>500 Gbit/in²) used as molds for nanoimprint lithography // Microelectronic Engineering. 2000. V. 53. P. 163-166.

3. Гурович Б.А., Долгий Д.И., Кулешова Е.А., Велихов Е.П. и др. USA Patents № 6.218.278 № 6.004.726 priority 05/22/98.

4. Гурович Б.А., Долгий Д.И., Кулешова Е.А., Велихов Е.П. и др. Управляемая трансформация электрических, магнитных и оптических свойств материалов ионными пучками // Успехи физических наук. 2000. Т. 44. № 1.

5. Gurovich В, Dolgii D., Meilikhov E., Kuleshova E. New Technique for Producing Patterned Magnetic Media // Intermag Europe 2002 (Amsterdam, April-May, 2002). Digest FPIO.

6. Gurovich B.A., Dolgy D.I., Kuleshova Е.А., Meilikhov E.Z. et al. Selective Removal of Atoms as a New Method for Fabrication of Nanoscale Patterned Media // Special issue of Microelectronic Engineering. To be published.

7. Аристов В.В., Казьмирук В.В. Разработка электронно-лучевого оборудования для литографии и электронной микроскопии // Тезисы докладов на Всероссийской конференции "МНЭ-2001". Звенигород, 2001. Т. 1.01-4.

8. Geim A.K., Dubonos S.V., Palacios J.J. et al. Fine Structure in Magnetization of Individual Fluxoid States // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 58. P. 1528-1531.

9. Валиев К.А., Горбацевич А.А., Кривоспицкий А.Д. и др. Способ изготовления полупроводникового прибора с Т-образным управляющим электродом субмикронной толщины. ФТИАН. Патент РФ №2192069.10.07.2000.

10. Krivospitsky A.D., Okshin А.А., Orlikovsky А.А., Semin Yu.F. Submicron structures formation with the help of usual photolithography and self-formation method // Proc. of lPT RAS. Ed. By А.А. Orlikovsky. 2000. V. 16. P. 71-83.

11. Аверкин С.Н., Аверкина Т.Н., Валиев К.А. и др. Плазмо-иммерсионный ионный имплантер для формирования супермелкозалегающих р-n переходов // Тезисы докладов Всероссийской конференции "МНЭ-2001". Звенигород, 2001. Т. 1.

12. Орликовский А.А. Плазменные процессы для нанотранзисторной электроники // Информационные технологии и вычислительные системы / Под ред. С.В. Емельянова. ОИВТА РАН. 2000. № 2. P. 74-83.

13. KnizhnikA., Potapkin В., BagaturyantsA., Korkin A. // Comp. Mat. Sci. 2002. V. 24. P. 128.

14. Brodskii V., Rykova E., Bagaturyants A., Korkin A. // Comp. Mat. Sci. 2002. V. 24. P. 278.