<<
>>

Мотивация проведения исследований в области НТ

Стремление предельно уменьшать характерные размеры технических устройств и их элементов является, по-видимому, одним из главных мотивов разработки новых технологий и существенным элементом технического прогресса вообще.

Это утверждение не объясняет, конечно, постоянного стремления изобретателей и ученых к миниатюризации создаваемых ими изделий, но является общим и постоянным фактором развития практически всех технологий. Изобретатели всегда стремились уменьшить размеры технических деталей, как для повышения функциональности целой системы, так и для большего удобства в использовании и эксплуатации по экономическим причинам.

Является очевидным, например, что преимущества эндоскопического метода в медицине связаны лишь с малыми разме-

рами эндоскопов, а популярные сейчас кардиостимуляторы получили распространение только вследствие своих малых размеров (напомним, что первые приборы этого типа по размерам напоминали банки для обувного крема). Связь между последовательной миниатюризацией и экономией особенно хорошо просматривается на примере полупроводниковых чипов для обработки и хранения информации, когда использование новых технологий позволило весьма существенно повысить плотность записи информации. Микроэлектроника в целом — хороший пример области, где уменьшение размеров элементов выступает основным средством прогресса технологии. Современные компьютеры возникли в результате прогрессирующей миниатюризации, что позволяет им решать задачи, которые еще десять лет назад казались недоступными. Кроме того, миниатюризация даже позволила сделать их намного удобнее для пользователей и более дешевыми.

С течением времени миниатюризация производства позволила создать новые производственные процессы, сделать другие более удобными и начать производство множества новых товаров для широких масс населения. Наиболее эффективно преимущества миниатюризации проявились в микроэлектронике и в микросистемной технике.

Развитие в этой области осуществлялось в результате последовательных «рывков» или переходов (от электромеханических компонентов к электронным лампам, от ламп к транзисторам, а затем от транзисторов к постоянно совершенствующимся интегральным схемам и т. д.), каждый из которых означал не только изменение технологии, но и новые возможности в технике и социальных отношениях. Миниатюризация стала означать новые товары, облегчение трудовых процессов и повышение экономичности производства. Обычно этот процесс постоянного уменьшения размеров элементов микросхем описывается известным законом Мура (представленным ниже на рис. 3.1), в соответствии с которым плотность компоновки электронных элементов удваивается приблизительно за каждые 18 месяцев, что и приводит к соответствующему росту мощности вычислительных средств и их производительности (Sze, 2002).

Представляется очевидным, что этот эмпирический закон не может действовать бесконечно (продолжение его закономерностей противоречило бы законам природы!), так что непрерывное уменьшение размеров электронных изделий должно

(и техники вообще) остается экономика. Создание новых производств в области полупроводников становится исключительно дорогим процессом и противоречит требованиям повышения прибыльности, лежащим в основе экономики современного мира. Результатом удорожания производства становится концентрация, то есть уменьшение числа крупных предприятий и исследовательских организаций. При существующем (и ожидаемом в будущем) росте затрат на разработку и производство новых электронных устройств серьезные научно-технические исследования будут осуществляться лишь очень небольшим числом крупных компаний, так что, возможно, нам придется столкнуться с некоторым общим, глобальным пределом, определяемым экономическими законами и условиями.

Нельзя также забывать, что, помимо экономических соображений, существуют и весьма серьезные научные, физико-химические ограничения дальнейшего уменьшения размеров создаваемых нами полупроводниковых структур, возникающие, например, когда структурные измерения интегральной схемы охватывают небольшое количество пластов атомов. Законы квантовой физики в этих системах приводят к тому, что интегральные схемы перестают действовать в соответствии с привычными ожиданиями, что представляется очевидным при любой попытке экстраполировать закон Мура на несколько десятилетий.

Миниатюризация в НТ (в отличие от ситуации в микроэлектронике и микросистемной технике) является не самоцелью, а средством получения новых функциональных качеств, то есть мы сталкиваемся с совершенно иной парадигмой развития технологий вообще, что имеет особое значение для развития новой науки.

Выводы: Миниатюризация была и остается движущей силой в разработках новых технологий, хотя внешне мотивацией всегда выступала реализация конкретных целей, связанных с эффективностью и оптимизацией. В этом смысле НТ означает существенную смену парадигм развития, так как миниатюризация в рамках НТ имеет иной смысл (сказанное не отрицает того факта, что достигнутые ранее рубежи стратегии миниатюризации представляют собой важную основу для развития НТ и связанных с ней идей). Планы и стратегия развития

Вообще говоря, миниатюризация в НТ означает контроль структурных параметров в масштабах до нескольких нанометров. Например, это подразумевает особую точность обработки поверхности оптических материалов, то есть регулирование распределения величины зерен поликристаллических сред в соответствующих узких границах. Измерения в субмикромет- ровой области могут осуществляться на пластинах монокристалла кремния толщиной около 300 нм, что требует от исследователей решения новых задач измерения, новых методов контроля структурных параметров, не говоря уже о новых концепциях и стратегиях производства.

Основными понятиями новой теории построения вещества выступают представления о построениях сверху - вниз, суть которых состоит в том, что размеры образца непрерывно изменяются (в одном, двух или даже трех измерениях), постепенно уменьшаясь до микрометров. Структура объемных материалов в таких исследованиях может модифицироваться самыми разными методами, например постепенным изменением условий тепловой и механической обработки, механической или химической полировкой поверхности и т. п. К этим методикам примыкает механическое дробление вещества для производства микрочастиц, которые, однако, могут быть изготовлены и путем химического или физического синтеза по методикам типа снизу - вверх (например, так можно получать тонкие и ультратонкие слои или покрытия).

Основным для всех описанных выше методов выступает то, что для их использования не требуется точная информация относительно микроскопической структуры (в микрометрах или нанометрах) изготовляемых веществ. Потребность в точном определении размеров возникает, однако, при изготовлении компонентов микроэлектроники, микромеханики и микросис- темных устройств, что требует от инженеров выработки особой стратегии при изготовлении идентичных микроструктур в больших количествах. Основой структурного единства в микроэлектронике сегодня выступают литографические методы, позволяющие получать разнообразные формы в объемных полупроводниковых материалах. Эти технологии базируются, в основном, на оптических методах с использованием масок, что позволяет создавать требуемые элементы в светочувствительном слое резиста (полимерного материала, меняющего свои свойства при освещении). Это позволяет технологам формировать нужные структуры, комбинируя требуемые режимы освещения и используя хорошо изученные процессы травления, диффузии и имплантации (Ikazuki и Mors, 2003).

Стандартным материалом для микроэлектронных и микро- механических компонентов является кремний, а для создания определенных компонентов схемы могут применяться различные легирующие материалы, а также (при создании особо сложных систем) связующие полупроводники, оптоэлектронные материалы, полимеры, органические материалы и т. п. Методы структурирования и миниатюризации материалов или образцов в целом могут и должны, естественно, варьироваться в каждом конкретном случае.

Выводы: Планы и стратегии процессов миниатюризации изделий могут быть описаны математическими моделями, отражающими технологии типа сверху - вниз и снизу - вверх. В сфере существующих технологий доминируют методы сверху - вниз, а в отдельных сферах мы уже умеем пользоваться методиками снизу - вверх. При производстве индивидуальных наноструктур в электронике обычно применяется усложняющаяся литографическая технология. 

<< | >>
Источник: Хартманн У.. Очарование нанотехнологии. 2008

Еще по теме Мотивация проведения исследований в области НТ:

  1. 1.4. Уровень частаонаучных методов исследования
  2. Глава 3                                                                                                               jjg Краткое описание психологической типологии К.Юнга
  3. Гл а в а 1 ПОНЯТИЙНЫЙ СТАТУС, САМОИДЕНТИФИКАЦИЯ
  4. ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
  5. Инфраструктурное обеспечение активизации создания, внедрения и производственного освоения нанотехнологий в регионе
  6. ПРИЛОЖЕНИЯ
  7. 2.2. Реализация структурно-функциональной модели формирования самообразовательной компетентности студентов вуза посредством интерактивных компьютерных технологий