Найден способ создавать сверхтонкие элементы наноэлектроники при помощи лазерных лучей в форме бублика. Новая технология поможет уменьшить элементы на микросхемах до размеров нескольких десятков атомов, что в десять раз меньше, чем возможно сегодня. Работа была выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Physics Letters

Для создания микросхем с нанометровыми элементами используют специальные зеркала, фокусирующие рентгеновское излучение. Чтобы сделать элементы размером менее 20 нм, нужно использовать излучение с еще меньшей длиной волны. Однако фотоны такого излучения несут очень большую энергию и неминуемо портят зеркало. Ученые из Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау совместно с зарубежными коллегами определили, какие процессы происходят с поверхностью зеркала из нескольких слоев хрома и золота при «бомбардировке» высокоэнергетическими фотонами.

Физики использовали так называемый вихревой луч, яркость которого распределена по кольцу вокруг его оси, то есть в форме бублика. В более ранних работах было показано, что обычный луч с максимумом яркости на центральной оси пучка выбивает из зеркала несколько слоев хрома и золота, оставляя на месте воздействия своего рода кратер, похожий на те, что оставляют упавшие на Землю метеориты. Когда экспериментаторы облучили зеркало вихревым лучом, на поверхности вместо типичного кратера образовалась кольцевая выемка с тонкой микроиглой, возвышающейся в центре.

«Это выглядело непонятным, как будто вещество из выемки собралось в центральной игле, там где интенсивность пучка была очень малой, Чтобы объяснить результат эксперимента, мы рассчитали траектории всех атомов хрома и золота, которые подверглись воздействию луча – это примерно 100 млн атомов», — рассказал один из авторов исследования, Василий Жаховский, научный сотрудник ИТФ имени Л.Д. Ландау.

А. Кратер с наноиглой, оставшийся на поверхности зеркала после воздействия луча-«бублика» с интенсивностью импульса 1 микроджоуль (слева) и 0,9 микроджоуля (справа). Б. (a) Фотография кратера, сделанная на сканирующем электронном микроскопе (увеличение 20 000 раз). (b) С использованием фильтра, пропускающего только излучение хрома. © С использованием фильтра, пропускающего только излучение золота. ИТФ

Оказалось, что в месте наибольшей интенсивности пучка – то есть по кольцу – резко растут температура и давление. Максимальное давление достигает 200 тысяч атмосфер — такие условия характерны для детонации небольшой атомной бомбы. Это колоссальное давление возникает на несколько пикосекунд в очень маленьком пространстве кольца диаметром всего 2 микрометра. В таких экстремальных условиях вещество зеркала плавится и стремится расшириться. Однако золото и хром нагреваются неодинаково, поэтому слои разных металлов по-разному участвуют в этом процессе.

«Получается что-то похожее на сильно накачанное колесо, внутри которого под эластичной покрышкой из расплава хрома находится золотой пар под огромным давлением», — добавил ученый.

При этом в центре пятна, где интенсивность луча близка к нулю, остается холодный «остров», над которым образуется тонкая струя из чистого хрома. Так как слой прогрева небольшой, вся система быстро остывает, и струя затвердевает. В результате формируется микроигла. Таким образом, ученые объяснили, почему при воздействии вихревого луча лазера на зеркале образуются мироиглы, а не кратеры. Новая работа показала, что, используя лазер лучом-бубликом и многослойные подложки, можно получать весьма сложные наноэлементы. Описанная технология позволяет производить микросхемы с элементами толщиной 2–4 нм, то есть в несколько атомов. Кроме того, регулируя параметры лазерного воздействия, можно получать элементы различного химического состава.