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真空技术在信息薄膜加工中的应用






时间:2009-03-14 23:24来源: 作者: 点击:

核心提示: 近半个世纪的历史表明,电子学器件的发展对人类社会起了很大的推动作用,每一种新的电子器件出现都对科学技术和生产的发展起了积极的促进作用。电子管的诞生是真空科学技术充分发展的结果。微电子器件的发展是基于材料的超纯和微细加工高精技术的提高,其中很多


近半个世纪的历史表明,电子学器件的发展对人类社会起了很大的推动作用,每一种新的电子器件出现都对科学技术和生产的发展起了积极的促进作用。电子管的诞生是真空科学技术充分发展的结果。微电子器件的发展是基于材料的超纯和微细加工高精技术的提高,其中很多加工过程都与真空技术有关。微电子器件是现代高速计算机和个人计算机的基础,当今在某些发达国家,微电子和计算机工业已经超过了能源、材料、交通和钢铁工业而占国民经济产值的第一位。在电子工业和计算机工业的发展中,真空科学与技术做出了重要贡献。

未来的家电中将主要为新的四大件:具有多媒体的彩电、计算机和音响组合体的多功能信息系统;具有真空冷冻和真空保鲜功能的电冰箱;具有真空脱水功能的洗衣机以及具有监控室内空气新鲜程度的空调器。这些家用电器中,有的直接应用真空技术,有的间接利用真空技术得到的加工成果。因为不论是计算机,还是各种自动化电器,它们的基础是微电子器件。其中最重要的是在规模集成电路。现今提起微电子器件几乎是家喻户晓,老幼皆知,因为它在现今人类社会的生产和生活中的作用是任何其它工业产品不能与之相比的。微电子器件的发展,将推动人类社会更快地进步。微电子器件的发展趋势是大规模集成电路,集成度越来越高,也就是芯片上的功能元件尺寸越来越小。其规律是莫尔(Moore)定律所描述的,每18个月同样大小芯片上的元件数增加一倍。过去20年是这样,电子学家预言,未来的15年仍是这样。

莫尔定律讲的是硅片上的元件密度,这是描述大规模集成电路进行信息加工能力的参量,按照IBM公司1994年发表的特殊报告讲到的关于奇妙的芯片:元件的尺寸越小,芯片的功能越大。信息存储密度106bit/cm2,可存下一篇30页论文;108bit/cm2,能存300页的书10本;1010bit/cm2,存1000本书;1012bit/cm2,存10万本书,对于一块3.5"磁盘可存入500万本书是可能的。这几乎是我国目前省级图书馆的全部藏书。由这个估算可见存储密度的提高,其芯片的功能是极其惊人的。这只是量变的推算,应该考虑到量变到质变产生的功能飞跃。

1012bit/cm2称为超高密度信息存储,主要是数字0和1的存储,安是纳米电子学的基础。每个信息存储点的尺寸小于10nm,它含有的原子数有限。作为功能点与传统的元件相比,它的特征是体积更小(<109个原子)、材料更纯(杂质缺陷<10-8)、信号功率更低(<10-12焦耳)、信号的写入读出的响应速度快(<纳秒)。因此,超高密度信息存储的研究要求发展新理论、新材料和新的组装加工技术。

最早用于广播、通信和雷达的电子器件是真空电子管,主要是控制由阴极发射到真空中的自由电子,用于信号的振荡、调制、发射、检测、放大、存储和加工.电子管器件的制造,要求真空卫生和真空纯洁,微电子器件的产生是建立在高纯锗、硅材料的基础上的,在材料和器件加工过程中,要求保持比高纯还好的半导体纯和高度有序的晶体结构。而微电子器件的下一代的纳米电子器件,要求所用材料和组装加工过程应该好于半导体纯,更少的杂质和缺陷,更完善的晶体结构,所以在研究纳米电子器件时,将更多地采用高真空,甚至超高真空进行材料制备和器件组装。

近些年北京大学和中国科学院北京真空物理实验室重点研究有机复合薄膜的超高密度信息存储器件,其制备的关键技术是纳米厚度的高质量功能薄膜。当今的薄膜形成过程中能够保持真空纯洁环境,故可以得到高质量的薄膜。物理气相沉积(PVD)技术主要有蒸发、溅射镀、离子镀、分子束外延和离子团束镀等。在分析了真空方法制备有机功能薄膜的几种技术后,经比较认为,离子团束(ICB)沉积技术用于制备有机功能薄膜是最适用的。它是将材料蒸发经过绝热膨胀过程,电离过程形成荷电原子团,经历加速被沉积到基底上。原子在基底表面具有较大的迁移率,这有利于薄膜的成核和晶粒生长,形成高质量的薄膜,通过控制绝热过程,电离电压,加速电压和基底温度可以制成晶体、多晶或无定形薄膜。

用离子团束和高真空沉积技术研制了用于超高密度信息存储的有机和金属有机纳米薄膜,其中主要有两类:一类是银/有机(如Ag-CPU)复合薄膜,用扫描隧道显微镜(STM)的电压脉冲写入信号斑直径为10nm,可以稳定地写入和读出0和1信号。用半导体激光器薄膜读写装置(波长为780nm)研究了Ag-CPU薄膜的光学存储特性,结果表明光脉冲10.4mW,宽10μs写入信号;7.0mW,宽1ms光脉冲可以擦除信号;1.1mW可以稳定读取信号。

另一类是有机给体/有机受体(如m-NBMN/DAB)纳米薄膜,其电脉冲信号写入直径1.3nm,相应的数据记录密度为1013bit/cm2。所记录的信号是稳定的,对写入信号点进行扫描隧道谱(STS)分析,表明在信号写入前薄膜是绝缘体,写入以后,呈导体特性。此种薄膜也可以用光信号进行稳定的写入和读数。国外同行专家对此结果给予了高度评价,认为已经接近了纳米功能元件的极限。

有机复合信息存储薄膜研究取得的成果说明真空技术在未来的纳米电子器件的研究中仍占有极其重要的地位。目前超高真空的获得和测量技术已经成熟,但更广泛的应用,特别是为发展未来信息社会的关键技术一纳米电子器件中,真空技术的应用还是非常有吸引力的课题,大量的工作有待开发。在即将到来的21世纪,真空技术将随着纳米电子学进入信息社会的各个领域,发挥越来越大的作用。

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