Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

Сейчас, когда я вынужден заботиться о семье и думать о том, как заплатить за уроки верховой езды для дочки и обучение сына в колледже, я не могу, при всем желании, обещать такие призы за достижения в создании микроскопических изделий. К счастью, мистер Мак-Леллан сказал, что изготовил двигатель не ради приза, а всего лишь из желания принять вызов и решить интересную техническую головоломку.

Изготовив конструкцию с двигающимися частями, можно заставить их перемещаться под воздействием электростатических сил. Внешнее управление может осуществляться по микропроводам (формирование которых, кстати, давно освоено производителями полупроводниковой техники), которые могут быть присоединены к компьютеру для полной автоматизации и точности управления. Таким образом, практически мы можем уже сейчас заняться изготовлением микроскопических роторов, двигателей и других электромеханических устройств.

20.4. Какое применение могут иметь эти малые машины?

Я уже говорил, что не представляю толком, каким образом эти крошечные машины могут применяться на практике. Я много думал на эту тему и хочу предложить некоторые разумные (или хотя бы частично разумные) ответы, а вы попробуйте оценить их здраво. Предположим, человек находится в замкнутом помещении и может открывать или закрывать окошко, пользуясь, например, какой-то рукояткой. Физики прекрасно знают эти устройства и называют их оптическим затвором или светоклапанным устройством. Размещая такие крошечные затворы по всему помещению, можно легко сконструировать масштабное устройство, которое создает светом требуемые картины или изображения. Снабдив систему блоком быстрого электронного управления процессов переключения изображений, мы фактически можем создавать телевизионное изображение по всему помещению. Я вовсе не настаиваю, что предлагаемая мною система телевидения имеет ценность, а лишь вношу предложение. Кстати, я лично вижу мало толку в расширении возможностей телевидения вообще, потому что обычно его роль сводится к рекламе какой-то ерунды, например, туалетной бумаги.

Более серьезным мне кажется возможность использования микроскопических устройств для непрерывной и автоматической очистки поверхностей, что в некоторых случаях может иметь важное техническое значение.

Возможно, кому-то покажется привлекательной идея снабдить такие устройства острыми режущими инструментами (типа сверл) для обработки поверхности, но мне она представляется неразумной по целому ряду причин. Прежде всего, можно вспомнить, что вещество на очень малых масштабах может обладать удивительной прочностью, так что любое микроскопическое режущее устройство окажется бесполезным и грубым. Атомарные силы могут оказаться столь сильными, что режущее устройство придется постоянно затачивать. Кроме того, в процессе любого «бурения» на атомарном уровне пропадают преимущества индивидуального характера использования описываемых машин (я хочу сказать, что множество микроскопических сверл всегда разумнее заменить одним сверлом крупного размера). В целом следует признать, что в качестве инструментов такие машинки имеют мало перспектив, особенно для обработки твердых поверхностей. Наиболее интересным в применении микроустройств (если, разумеется, мы придумаем им какое-то применение) выступает возможность их дифференцированного использования в различных условиях.

Одна из абстрактных возможностей, реализации которой я тоже пока не вижу, состоит в том, чтобы микромашины проверяли качество электронных соединений в компьютерных сетях. Было бы просто замечательно, если бы будут заранее «запускать» микророботов в те участки чипов, где они могли бы сами создавать нужные контакты и соединения. Возможно, для удобства нам следовало бы проектировать внутри схем какую-то систему передвижения (шестеренки или зубчатые передачи) для таких роботов?

А что если мы начнем применять их в процессах создания полупроводниковых устройств и чипов? Разумеется, вы можете законно возразить, что мы уже имеем множество технологических приемов для изготовления чипов (выше я говорил о методах напыления слоев) и поэтому не нуждаемся в новых способах, но я предлагаю задуматься о следующем. Нельзя ли использовать микророботов для механического создания тех самых масок или шаблонов, которые столь широко применяются в полупроводниковой технике? Подумайте, сколь удобными они могут оказаться в регулировании процессов напыления слоев в кремниевых структурах. Используя такие механически собранные шаблоны, мы могли бы очень легко «испарять», то есть удалять атомы с требуемых мест или, наоборот, «вставлять» их в нужные участки структуры. Процессами наслоения можно было бы управлять не химически, а электронными командами по заданной программе.

Я могу напомнить, что в существующих технологиях изготовления полупроводниковых устройств постоянной проблемой является создание так называемых масок (трафаретов или шаблонов), которые необходимо тщательно (очень тщательно!) проектировать. В процессе создания многослойных кремниевых структур формирование каждого слоя требует обработки светом, травления, дальнейшего напыления и множества корректирующих операций. Всем этим можно было бы пренебречь, но при большом числе слоев (например, около нескольких сот) начинают накапливаться ошибки и техническая проблема становится весьма сложной и утомительной.

Неужели эти операции нельзя упростить и убыстрить? Представьте, что у вас есть возможность создавать маски без использования источников света и связанных с этим ограничений. Пусть микроскопические машины сами по заданной программе открывают и закрывают участки схемы, предназначенные для напыления или травления. Разумеется, легко сообразить, что важнейшим недостатком такой машины станет скопление «отходов» на выходе, снижающих чистоту процессов напыления, однако ничто не мешает нам создать сложную трехмерную структуру с трубками, контейнерами и клапанами (все это должно иметь, разумеется, крошечные размеры!), способными обеспечить подачу или удаление требуемых веществ. Такой агрегат, с автоматической регулировкой расхода веществ, сможет двигаться вдоль поверхности кристалла, заливая ее микроскопическими «струями» материалов и создавая заданную программой трехмерную электронную схему. Наращивая последовательно слои структуры, мы можем получать любые трехмерные полупроводниковые устройства и приборы.

Я напомню, что почти все современные кремниевые структуры являются плоскими, то есть двухмерными. Они содержат обычно всего несколько слоев, но даже это создает большие сложности при монтаже. Каждый электронщик знает о так называемом эмпирическом законе Рента, в соответствии с которым число соединений и проводов возрастает по степенному закону (с показателем около 2,5) с числом элементов, входящих в состав устройства. Современная техника позволяет размещать огромное количество устройств и элементов даже на крошечных поверхностях кремниевых чипов, однако плотность монтажа (число необходимых соединений) нарастает столь стремительно, что превращается в серьезнейшую техническую проблему. В шутку можно сказать, что скоро мы будем создавать на чипах одни соединительные сети, так что не останется места для самих транзисторов и других устройств.

С проблемой размещения и соединения нескольких электрических цепей на одной плоскости постоянно сталкиваются электронщики и инженеры, которым приходится в каждом отдельном случае решать сложнейшие задачи монтажа. Переход к трехмерным структурам сразу позволяет избавиться от проблемы соединения элементов, так как провода могут располагаться в пространстве между слоями (как я говорил, внизу полным-полно места!). Я совершенно уверен, что полупроводниковая техника уже в ближайшие годы перейдет к трехмерному монтажу. Кстати, для этого необязательно применять именно предлагаемые мною фантастические и сумасшедшие микромашины, поскольку наверняка можно придумать и другие технологические приемы, позволяющие создавать многослойные (сотни или тысячи слоев!) полупроводниковые структуры.

Таким образом, у нас возникает реальная потребность и возможность создавать микроскопические машины с трубками и клапанами, работающие в очень малых масштабах. Разумеется, мы приступим к их производству лишь после того, как убедимся в их практической ценности, но потом мы сможем использовать их и для других целей, включая изготовление других машин.

До сих пор я говорил лишь о машинах, внутри которых есть движущиеся части или детали (сверла, клапаны и т. п.), которые могут работать по заданной программе в требуемых местах схемы, однако ничто, в принципе, не мешает задуматься о возможности создания подвижных микроустройств. Например, они могут двигаться вдоль поверхности, вдоль заранее созданных щелей и закрепляться в заданных точках посредством шарниров, стержней и т. п. Вполне можно придумать Т-образные щели или пазы, позволяющие машинам при необходимости скользить над поверхностью или приподниматься над нужными участками. Возможно, проблему движения удастся легко решить за счет использования «колес» или простого скольжения.