真空技術(shù)在信息薄膜加工中的應(yīng)用

近半個世紀的歷史表明,電子學器件的發(fā)展對人類社會起了很大的推動作用,每一種新的電子器件出現(xiàn)都對科學技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展起了積極的促進作用。電子管的誕生是真空科學技術(shù)充分發(fā)展的結(jié)果。微電子器件的發(fā)展是基于材料的超純和微細加工高精技術(shù)的提高,其中很多加工過程都與真空技術(shù)有關(guān)。微電子器件是現(xiàn)代高速計算機和個人計算機的基礎(chǔ),當今在某些發(fā)達國家,微電子和計算機工業(yè)已經(jīng)超過了能源、材料、交通和鋼鐵工業(yè)而占國民經(jīng)濟產(chǎn)值的**位。在電子工業(yè)和計算機工業(yè)的發(fā)展中,真空科學與技術(shù)做出了重要貢獻。

未來的家電中將主要為新的四大件:具有多媒體的彩電、計算機和音響組合體的多功能信息系統(tǒng);具有真空冷凍和真空保鮮功能的電冰箱;具有真空脫水功能的洗衣機以及具有監(jiān)控室內(nèi)空氣新鮮程度的空調(diào)器。這些家用電器中,有的直接應(yīng)用真空技術(shù),有的間接利用真空技術(shù)得到的加工成果。因為不論是計算機,還是各種自動化電器,它們的基礎(chǔ)是微電子器件。其中*重要的是在規(guī)模集成電路?，F(xiàn)今提起微電子器件幾乎是家喻戶曉,老幼皆知,因為它在現(xiàn)今人類社會的生產(chǎn)和生活中的作用是任何其它工業(yè)產(chǎn)品不能與之相比的。微電子器件的發(fā)展,將推動人類社會更快地進步。微電子器件的發(fā)展趨勢是大規(guī)模集成電路,集成度越來越高,也就是芯片上的功能元件尺寸越來越小。其規(guī)律是莫爾（Moore）定律所描述的,每18個月同樣大小芯片上的元件數(shù)增加一倍。過去20年是這樣,電子學家預(yù)言,未來的15年仍是這樣。莫爾定律講的是硅片上的元件密度,這是描述大規(guī)模集成電路進行信息加工能力的參量,按照IBM公司1994年發(fā)表的特殊報告講到的關(guān)于奇妙的芯片:元件的尺寸越小,芯片的功能越大。信息存儲密度106bit／cm2，可存下一篇30頁論文;108bit／cm2,能存300頁的書10本;1010bit／cm2,存1000本書;1012bit／cm2,存10萬本書,對于一塊3.5＂磁盤可存入500萬本書是可能的。這幾乎是我國目前省級圖書館的全部藏書。由這個估算可見存儲密度的提高,其芯片的功能是極其驚人的。這只是量變的推算,應(yīng)該考慮到量變到質(zhì)變產(chǎn)生的功能飛躍。1012bit／cm2稱為超高密度信息存儲,主要是數(shù)字0和1的存儲,安是納米電子學的基礎(chǔ)。每個信息存儲點的尺寸小于10nm,它含有的原子數(shù)有限。作為功能點與傳統(tǒng)的元件相比,它的特征是體積更?。?lt;109個原子）、材料更純（雜質(zhì)缺陷<10-8）、信號功率更低（<10-12焦耳）、信號的寫入讀出的響應(yīng)速度快（<納秒）。因此，超高密度信息存儲的研究要求發(fā)展新理論、新材料和新的組裝加工技術(shù)。

*早用于廣播、通信和雷達的電子器件是真空電子管,主要是控制由陰極發(fā)射到真空中的自由電子,用于信號的振蕩、調(diào)制、發(fā)射、檢測、放大、存儲和加工.電子管器件的制造,要求真空衛(wèi)生和真空純潔,微電子器件的產(chǎn)生是建立在高純鍺、硅材料的基礎(chǔ)上的，在材料和器件加工過程中，要求保持比高純還好的半導(dǎo)體純和高度有序的晶體結(jié)構(gòu)。而微電子器件的下一代的納米電子器件，要求所用材料和組裝加工過程應(yīng)該好于半導(dǎo)體純，更少的雜質(zhì)和缺陷，更完善的晶體結(jié)構(gòu)，所以在研究納米電子器件時，將更多地采用高真空，甚至超高真空進行材料制備和器件組裝。近些年北京大學和中國科學院北京真空物理實驗室重點研究有機復(fù)合薄膜的超高密度信息存儲器件，其制備的關(guān)鍵技術(shù)是納米厚度的高質(zhì)量功能薄膜。當今的薄膜形成過程中能夠保持真空純潔環(huán)境，故可以得到高質(zhì)量的薄膜。物**相沉積（PVD）技術(shù)主要有蒸發(fā)、濺射鍍、離子鍍、分子束外延和離子團束鍍等。在分析了真空方法制備有機功能薄膜的幾種技術(shù)后，經(jīng)比較認為，離子團束（ICB）沉積技術(shù)用于制備有機功能薄膜是*適用的。它是將材料蒸發(fā)經(jīng)過絕熱膨脹過程，電離過程形成荷電原子團，經(jīng)歷加速被沉積到基底上。原子在基底表面具有較大的遷移率，這有利于薄膜的成核和晶粒生長，形成高質(zhì)量的薄膜，通過控制絕熱過程，電離電壓，加速電壓和基底溫度可以制成晶體、多晶或無定形薄膜。用離子團束和高真空沉積技術(shù)研制了用于超高密度信息存儲的有機和金屬有機納米薄膜，其中主要有兩類：一類是銀/有機（如Ag－CPU）復(fù)合薄膜，用掃描隧道顯微鏡（STM）的電壓脈沖寫入信號斑直徑為10nm，可以穩(wěn)定地寫入和讀出0和1信號。用半導(dǎo)體激光器薄膜讀寫裝置（波長為780nm）研究了Ag－CPU薄膜的光學存儲特性，結(jié)果表明光脈沖10.4mW，寬10μs寫入信號；7.0mW，寬1ms光脈沖可以擦除信號；1.1mW可以穩(wěn)定讀取信號。另一類是有機給體/有機受體（如m－NBMN/DAB）納米薄膜，其電脈沖信號寫入直徑1.3nm，相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄密度為1013bit/cm2。所記錄的信號是穩(wěn)定的，對寫入信號點進行掃描隧道譜（STS）分析，表明在信號寫入前薄膜是絕緣體，寫入以后，呈導(dǎo)體特性。此種薄膜也可以用光信號進行穩(wěn)定的寫入和讀數(shù)。國外同行專家對此結(jié)果給予了高度評價，認為已經(jīng)接近了納米功能元件的極限。

有機復(fù)合信息存儲薄膜研究取得的成果說明真空技術(shù)在未來的納米電子器件的研究中仍占有極其重要的地位。目前超高真空的獲得和測量技術(shù)已經(jīng)成熟，但更廣泛的應(yīng)用，特別是為發(fā)展未來信息社會的關(guān)鍵技術(shù)一納米電子器件中，真空技術(shù)的應(yīng)用還是非常有吸引力的課題，大量的工作有待開發(fā)。在即將到來的21世紀，真空技術(shù)將隨著納米電子學進入信息社會的各個領(lǐng)域，發(fā)揮越來越大的作用。

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