لیتوگرافی، هنر ساختن در ابعاد کوچک
خلاصه مقاله
• 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.
یادتان هست آخرین بار کِی رایانه‌تان را ارتقا داده‌اید یا به جای رایانه کُندِ قدیمی، رایانه 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 دوباره «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 اندازه پردازنده سریعِ امروزِ شما از پردازنده 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، محاسبه 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 ایده 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 مرحله 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 شیوه 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 تعمیم‌یافته عکاسی است. ابتدا چیزی شبیه نگاتیو عکاسی از شِمای مدار مجتمع تهیه می‌شود. این نگاتیو که در اینجا «ماسک» نامیده می‌شود برای تکثیر طرح بر روی هادی‌ها و نیمه‌هادیها به کار گرفته می‌شود. تهیه 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 تهیه ماسک (که می‌تواند کُند و هزینه‌بر باشد)، و دوم استفاده از ماسک برای تهیه نسخه‌های بعدی (که باید سریع و ارزان باشد).
برای تولید ماسکِ یک قطعه رایانه‌ای، ابتدا شِمای مدار در مقیاس به‌نسبت بزرگ طراحی می‌شود. سپس این طرح به صورت لایه نازکی از فلز (اغلب کُروم) روی صفحه شفافی (اغلب شیشه یا سیلیکون) درمی‌آید که در مجموع به آن «ویفر» گفته می‌شود.
سپس فُتولیتوگرافی، در فرآیندی شبیه آنچه در تاریکخانه 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 تهیه ساختارهای با ابعاد کمتر از این طول موج، مانند سعی در خواندن نوشته‌های بسیار ریز است. پدیده «پراش» باعث محو شدن نوشته‌ها می‌شود.
اگر تا کنون پدیده 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. اپلت ذیل پدیده پراش را نشان می‌دهد برای دیدن ان نیاز به نصب برنامه جاوا دارید.
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 اندازه 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 یعنی در حدود 10 تا 100 میلیارد تومان 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.