材料科技助推纳电子时代到来

　　-清华大学材料科学与工程系教授 周济

　　随着信息技术的迅猛发展，其核心技术正从微电子走向纳电子技术。纳电子技术的发展对材料科学与技术提出了一系列重大的挑战，这些挑战将从一定程度上影响材料科学与技术，特别是电子材料与技术的发展方向。这一趋势将对未来若干年中电子材料的基础研究、应用开发乃至整个电子材料产业产生深远的影响。

　　微电子“自上而下”走向纳电子

　　目前，从国际上微纳电子产业技术发展的现状看，由微电子向纳电子技术过渡所走的基本上是一条“自上而下”的路线，即通过不断缩小电子器件特征尺寸来获得更小的器件，把纳米电子看成是微电子的延伸。

　　就电子工业界而言，对通过现有的微米制造技术开发纳米制造的新方法兴趣最高，因为可以在原有的微电子技术的基础上发展纳电子技术。目前，这一技术已经可以实现线宽在65纳米的硅集成电路。然而，这一技术已在进一步发展具有更小长度的电路方面显现出诸多瓶颈，特别是其中的紫外光光刻技术，预计“自上而下”的工艺路线可能使线宽小于20纳米，由此将现有的

　　从材料体系上看，“自上而下”的路线所需要的基础材料仍然是半导体单晶硅，而对材料的技术将提出更高的要求，如更高的纯度和更低的缺陷密度。然而，有源元件的纳米化趋势可能会对无源元件的材料提出许多挑战，与纳尺度有源器件的相匹配和集成的微纳尺度的各种无源元件的材料问题将十分突出。

　　随着元件尺度的缩小，材料的尺寸效应和工艺问题将凸现出来。如在材料物理层面，对于铁电、铁磁元件，尺度的缩小将改变材料原有的电畴或磁畴结构，是材料的特性发生根本性的改变；在材料工艺方面，现有的基于多层陶瓷工艺的技术能否获得具有足够小尺寸的元件；此外，有源-无源元件集成中也将涉及一系列材料科学和技术问题。

　　按照目前半导体技术发展的趋势，预计最多20年，“自上而下”的路线将无法满足纳电子技术发展的需求，“自下而上”路线将成为纳电子技术发展的必然选择。所谓“自下而上”路线是指以原子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装，从而构筑具有特定功能的产品。而材料在纳米/介观尺度上所出现出的全新物理性能将为电子信息技术的进一步发展提供更广阔的空间。

　　从材料体系上看，硅作为当前有源器件的核心材料，在未来将可能仅仅是“自下而上”路线中电路中材料的一种选择。新的纳米电路将可能由多种无机、有机、高分子、甚至生物分子构成，而材料的制备可能与器件工艺密不可分。

　　纳电子材料应运而生

　　目前，材料科学家正在轰轰烈烈地寻求各类纳米系统的制备技术，特别是结构、功能可控的纳米功能系统，这些技术的发展将为新一代纳电子系统提供多种选择。

　　目前已经发展出的一些简单的、在非极限环境下大面积生产纳米结构的复制技术，即所谓的软刻蚀技术，如纳米印刷技术、纳米压模技术、软光刻技术、微接触印刷技术，可望最早被用于非传统的纳米电路的制备。目前，科学家已经用纳米印刷技术，复制了6纳米线宽的纳米结构，而且已经将它成功地应用于纳米电子学。

　　扫描探针显微镜(SPM，Scanning Probe Microscope)是一大类主要的材料研究分析手段。目前，SPM家族中已经产生了二三十种显微镜，例如扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、磁力显微镜(MFM)、静电力显微镜(EFM)等等。同时，SPM还是一种重要的微观加工与操纵工具。使用其探针的针尖，可以操纵单个原子或分子，可对表面进行纳米尺度上的刻蚀、阳极氧化、使金属变成绝缘势垒等微细加工。因此，SPM的出现，奠定了直接观测、触摸和操纵原子的基础，是发展纳米电子学的重要条件。

　　STM系统可以通过针尖上的电压操控单个原子，按设计要求“堆砌”出各种微型构件。用SPM技术制作原子尺度的纳米电子器件，达到了常规光刻和电子束光刻无法达到的精度。近几年来，人们利用SPM技术已经研制出了一些单电子器件，如单电子晶体管、单电子存储器和单电子开关等。

　　碳纳米管(CNT)是一类重要的纳米材料，它是一种中空管状一维纳米结构，管径为零点几纳米到几十纳米。由于它具有明显的特殊的纳米结构和量子特性，人们已开始将其用于单电子晶体管的研制。Intel公司的研发人员正在考虑在未来的芯片制造过程中使用碳纳米管技术。预计到2014年，芯片中的晶体管有可能由碳纳米管构成；到2020年，芯片制造技术有望实现全面的技术革新。

　　一些生物大分子也是纳电子器件的理想材料。生物系统中各种各样信息处理、转换、传导功能为新一代电子信息技术提供了广阔的发展前景。而相关的材料技术，如自组装技术等也是目前材料科学研究的热点。

　　总而言之，信息技术从微电子走向纳电子的过渡阶段也将是材料科学与技术长足发展的阶段。纳电子技术对材料科学与技术提出的诸多挑战对材料科学和技术的发展也将是一次机遇。由于纳电子时代的电子材料将与器件和系统密不可分，其学科结构和产业结构均将发生根本性的变化。