چالش‌های فناوری نانو برای ساخت مدارهای مجتمع

در این میان «گوردون مور» موفق به کشف یک قانون تجربی شد که در صنعت الکترونیک بسیار مورد توجه قرار گرفت. او بیان کرد که تقریبا در هر دو سال، ابعاد ترازیستورها در مدارهای الکترونیکی نصف می‌شود و یا به بیان دیگر در هر دو سال تعداد ترانزیستورهای موجود در یکای سطح یک مدار الکترونیکی دو برابر می‌شود.
اکنون این پرسش مطرح می‌شود که با وجود مزایای بسیار فناوری در ابعاد کوچک‌تر، چرا انتقال فناوری به نسل‌های کوچک‌تر هر دو سال اتفاق می‌افتد؟ یعنی چرا از همان ابتدا سراغ فناوری‌های کوچک مقیاس نرفتیم؟ ما در این مقاله به همین موضوع می‌پردازیم. در واقع؛ می‌خواهیم بگوییم که ورود به فناوری کوچک مقیاس یا همان فناوری نانو چالش‌ها و مسائلی را پیش رو دارد که اکنون بخشی از این چالش‌ها حل شده، اما چالش‌ها و مسائل بسیاری هم‌چنان حل نشده باقی مانده و محدودیت‌های بی‌شماری فرا روی دانشمندان و شرکت‌های عظیم فعال در حوزه‌ی صنایع الکترونیک قرار دارد. ورود به دنیای نانو الکترونیک اگر چه مزایا و محاسن بسیاری دارد اما مستلزم مقابله با محدودیت‌های بسیاری نیز می‌باشد.

چالش اصلی
همان‌طور که در مقالات ساخت مدار مجتمع (مقالات هشتم تا دهم نانوالکترونیک) ملاحظه شد، شگرد اصلی در ساخت مدارهای الکترونیکی استفاده از روش لیتوگرافی نوری است. در واقع علت رشد سریع صنعت الکترونیک نیز همین شیوه‌ی ساده، اما بسیار پرکاربرد بود که امکان ساخت تعداد بی‌شماری ترانزیستور را در مدت زمان کم، ممکن می‌سازد.
برای کوچک‌تر کردن ابعاد ترانزیستورها لازم بود ماسک‌هایی با ابعاد کوچک‌تر تهیه شود تا با تابانیدن پرتوهای نور بر این ماسک‌ها، قسمت‌های گوناگون مدارهای الکترونیکی بر روی ویفر سیلیکونی ساخته شود. ساخت ماسک‌های کوچک‌تر با استفاده از پرتوهای الکترونی اگر چه بسیار گران و پرهزینه بود اما امکان‌پذیر می‌نمود؛ لیکن چالش اصلی رفتار پرتوهای نور در ابعاد کوچک بود. در واقع پرتوهای نور در ابعاد کوچک، رفتار دیگری در مقایسه با ابعاد بزرگ از خود نشان می‌دادند و این مسئله کار ساختن مدارهای نانو مقیاس را دشوار می‌کرد.

رفتار موجی نور
همان‌طور که می‌دانید امروزه دانشمندان معتقدند ماهیت نور از نوع امواج الکترومغناطیس است که دارای طیف وسیعی است که از پرتوهای رادیویی با سطح انرژی کم و طول موج زیاد شروع می‌شود و به پرتوهای گاما با سطح انرژی زیاد و طول موج کم می‌انجامد. نور مرئی بخش کوچکی از طیف امواج الکترومغناطیس را در بر می‌گیرد. در تصویر(1) طیف امواج الکترومغناطیس را مشاهده می‌کنید.

تصوير (1)- طيف امواج الكترومغناطيس كه نور مرئي بخش كوچكي از آن است.

اما قبل از این که رفتار موجی نور از سوی دانشمندان پذیرفته شود، نظریه‌ی ذره‌ای بودن نور مورد توجه و پذیرش دانشمندان بود. در قرن هفدهم میلادی، نیوتن نور را متشکل از ذرات ریزی می‌دانست که از منبع نور جدا می‌شوند. یعنی او برای نور خاصیت ذره‌ای قائل بود. اگر چه در همان زمان افرادی هم بودند که نور را موجی تصور می‌کردند، اما نظریه‌ی نیوتن نظریه‌ی غالب بود. تا این که در اوایل قرن نوزدهم یانگ و فرنل هر کدام با انجام آزمایش‌هایی، موجی بودن نور را ثابت کردند.

یانگ مقابل یک منبع نورانی، روزنه‌ای (S) قرار داد که مانند یک چشمه‌ی نور عمل می‌کند. در مقابل این روزنه صفحه‌ای گذاشت که روی آن دو روزنه‌ی S1 و S2 به فاصله‌ی کمی از هم قرار گرفته بودند. فاصله‌ی روزنه‌های S1 و S2 از روزنه‌ی S یکسان بود، یعنی روزنه‌ی S روی محور تقارن دو روزنه‌ی S1 و S2 قرار می‌گرفت. در مقابل این دو روزنه هم پرده‌ای برای تشکیل تصویر جای داده شد. تصویری که روی پرده تشکیل شد مشابه تصویر (2) بود.

تصوير (2)- آزمايش يانگ براي اثبات رفتار موجي نور

آن چه در تصویر (2) مشاهده می‌شود، تشکیل نوارهای روشن و تیره بر روی پرده است که تنها با پذیرفتن رفتار موجی نور قابل توضیح است. چرا که وجود نوارهای روشن و تیره بر روی پرده را به هیچ طریق نمی‌توان با رفتار ذره‌ای نور توضیح داد. اگر رفتار نور ذره‌ای می‌بود، باید شدت نور در فضای روبروی دو روزنه‌ی S1 و S2 بیشینه بود و با دور شدن از آن، شدت نور کاهش می‌یافت (و نه به صورت نوارهای روشن و تیره).

اکنون دانشمندان معتقدند نور در مواردی رفتار ذره‌ای و در مواردی رفتار موجی دارد. یکی از مواردی که نور رفتار موجی نشان می‌دهد، هنگام عبور از دو روزنه‌ی بسیار کوچک که در مجاورت یکدیگر قرار دارند، است.

نانو لیتوگرافی نوری
همان‌طور که بیان کردیم، برای ساخت ترانزیستورهای کوچک‌تر باید از ماسک‌های کوچک‌تر هم استفاده شود. اما مشکل اصلی این بود که هنگامی که پرتوهای نور از روزنه‌های این ماسک‌ها عبور می‌کردند تا به ویفر سیلیکونی برخورد کنند و ناحیه‌ی مورد نظر ترانزیستور را بسازند، رفتار موجی نور به شدت ظاهر می‌شد و مانع تشکیل درست نواحی مورد نظر بر روی ویفر می‌شد.
برای کم کردن اثر رفتار موجی نور، شگردهای گوناگونی در صنایع الکترونیک استفاده می‌شود. یک راه استفاده از پرتوهای فرابنفش با طول موج کم‌تر از نور مرئی است (طول موج نور مرئی بین 400 تا 700 نانومتر است و برای ساخت ترانزیستورهای با ابعاد نانومتری به شدت رفتار موجی نشان می‌دهد). البته پرتوهای فرابنفش به دلیل سطح انرژی بالا، هم به سرعت ماسک را از بین می‌برد، و هم نمی‌توان ویفر سیلیکونی را مدت زیادی در معرض تابش آن قرار داد. راه دیگر برای کاهش اثر رفتاری موجی نور، انجام لیتوگرافی نوری در محیط مایع است. این تکنیک نیز تا حدودی رفتار موجی نور را کم اثرتر می‌کند. البته می‌توان به جای استفاده از پرتوهای نور از پرتوهای الکترونی هم استفاده کرد، اما این کار هم بسیار گران است و هم کُندتر از لیتوگرافی نوری است و استفاده از آن در مقیاس صنعتی مقرون به صرفه نیست.
اکنون دانشمندان و مهندسین الکترونیک به دنبال کشف تکنیک‌ها و شگردهایی هستند که با استفاده از آن، بتوانند رفتار موجی نور را در ابعاد کوچک کاهش دهند. بدین ترتیب می‌توانیم منتظر ساخت ترانزیستورهایی در ابعاد کوچک‌تر و در مقیاس صنعتی با استفاده از فناوری نانو باشیم.

این مقاله را در سایت باشگاه نانو هم می توانید مطالعه کنید