真空技術在信息薄膜加工中的應用

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充分發(fā)展的結果。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的提高,其中很多加工過程都與真空技術有關。微電子器件是現(xiàn)代高速計算機和個??計算機的基礎,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,有的直接應用真空技術,有的間接利用真空技術得到的加工成果。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。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,它的特征是體積更小（<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。

*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體純和高度有序的晶體結構。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該好于半導體純，更少的雜質(zhì)和缺陷，更完善的晶體結構，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合薄膜的超高密度信息存儲器件，其制備的關鍵技術是納米厚度的高質(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后，經(jīng)比較認為，離子團束（ICB）沉積技術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。

有機復合信息存儲薄膜研究取得的成果說明真空技術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已經(jīng)成熟，但更廣泛的應用，特別是為發(fā)展未來信息社會的關鍵技術一納米電子器件中，真空技術的應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，真空技術將隨著納米電子學進入信息社會的各個領域，發(fā)揮越來越大的作用。

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