Een fabricagetechniek die de halfgeleiderindustrie zou kunnen helpen om krachtigere computerchips te maken, begon op de meest bescheiden plaatsen - aan een lunchtafel in het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE).

De materiaalsynthesemethode die bekend staat als sequentiële infiltratiesynthese, of SIS, heeft het potentieel om niet alleen de chipproductie te verbeteren, maar ook zaken als opslag op de harde schijf, zonnecel efficiëntie, antireflecterende oppervlakken op optiek en waterafstotende autoruiten. Uitgevonden in 2010 tijdens een lunchgesprek tussen Argonne-wetenschappers Seth Darling en Jeffrey Elam en twee van hun postdoctorale onderzoekers, Het gebruik van de methode is de afgelopen jaren toegenomen.

De methode was gebaseerd op de discussie van de groep over atomaire laagafzetting, of ALD, een dunnefilmdepositietechniek die afwisselende chemische dampen gebruikt om materialen één atomaire laag per keer te laten groeien. Liefje, directeur van het Institute for Molecular Engineering in Argonne en het Advanced Materials for Energy-Water Systems Energy Frontier Research Center, gebruikte die techniek onlangs om een ​​waterminnende metaaloxidecoating toe te voegen aan filters die worden gebruikt in de olie- en gasindustrie, waardoor de filters niet verstopt raken.

Maar terwijl de groep sprak, ze begonnen te speculeren over het naar een nieuw niveau tillen van ALD, zei schat.

"We zeiden, 'Zou het niet mooi zijn als we het ene materiaal in een ander materiaal konden laten groeien, zoals een polymeer (een reeks van vele gecombineerde moleculen) in plaats van er bovenop?', zei Darling. werk, ' maar, verrassend genoeg, het werkte prachtig bij de eerste poging. Toen begonnen we ons alle verschillende toepassingen voor te stellen waarvoor het zou kunnen worden gebruikt."

Het onderzoek werd gefinancierd door het DOE Office of Science, Basic Energy Sciences Program, evenals het Argonne-Northwestern Solar Energy Research Center, een door het DOE Office of Science gefinancierd Energy Frontier Research Center.

SIS is vergelijkbaar met ALD op een polymeeroppervlak, maar in SIS wordt de damp in het polymeer verspreid in plaats van er bovenop, waar het zich chemisch bindt aan het polymeer en uiteindelijk groeit om anorganische structuren te creëren door de gehele polymeermassa.

Met behulp van deze techniek, wetenschappers kunnen robuuste coatings maken die de halfgeleiderindustrie kunnen helpen om meer ingewikkelde functies op computerchips te etsen, waardoor ze nog kleiner kunnen worden of extra opslagruimte en andere mogelijkheden kunnen toevoegen. Ze kunnen ook de vorm van verschillende metalen aanpassen, oxiden en andere anorganische materialen door ze met SIS op een polymeer aan te brengen en vervolgens de resten van het polymeer te verwijderen.

"Je kunt een patroon in een polymeer nemen, stel het bloot aan dampen en transformeer het van een organisch materiaal in een anorganisch materiaal, " zei Elam, directeur van het ALD-onderzoeksprogramma van Argonne, verwijzend naar de manier waarop de methode polymeren en een damp kan gebruiken om in feite een nieuw materiaal met specifieke eigenschappen te vormen. "Het is een manier om een ​​polymeerpatroon te gebruiken, en zet dat patroon om in vrijwel elk anorganisch materiaal."

Het potentieel van de technologie reikt verder dan halfgeleiders. Het zou kunnen worden gebruikt om producten in verschillende industrieën vooruit te helpen, en Argonne zou graag samenwerken met commercialiseringspartners die de uitvinding kunnen nemen en opnemen in bestaande producten - of nieuwe toepassingen kunnen bedenken die de Amerikaanse economie ten goede komen, zei Hemant Bhimnathwala, een business development executive bij Argonne.

"Je kunt SIS gebruiken om een ​​film te maken, je kunt het op een metaal zetten, je kunt dit op glas maken of op een glazen voorruit plaatsen om het zo waterafstotend te maken dat je geen ruitenwissers nodig hebt, ' zei Bhimnathwala.

De manier waarop de wetenschappers de techniek uitvonden - via die lunchbijeenkomst - was ook een beetje ongewoon. Nieuwe ontdekkingen komen vaak per toeval tot stand, maar meestal niet door tijdens de lunch ideeën uit te wisselen, zei Elam.

"Zo nu en dan, als je aandachtig kijkt, je kunt daar iets anders zien en iets nieuws en onverwachts ontdekken, " zei Elam. "Dat gebeurt niet vaak, maar wanneer het gebeurt, het is geweldig."

De techniek pakt ook een specifiek probleem aan in de halfgeleiderindustrie, patroon instorten, wat betekent de ineenstorting van kleine functies die worden gebruikt om elektrische componenten op een computerchip te maken, het onbruikbaar maken.

Wanneer een patroon wordt geëtst op een siliciumchip tijdens het maken van chips, een etsbestendig oppervlak wordt gebruikt als een beschermende coating om die gebieden te maskeren die u niet wilt verwijderen. Maar de etsbestendige coatings die tegenwoordig vaak worden gebruikt, slijten zeer snel, waardoor chipfabrikanten geen componenten konden maken met diep geëtste kenmerken, zei schat.

Met SIS, anorganische dampcoatings kunnen worden ontworpen om verticale kenmerken beter te beschermen, waardoor diepere etsen en de integratie van meer componenten op elke chip mogelijk zijn.

"Functies op chips zijn zijdelings extreem klein geworden, maar soms wil je ze ook lang maken, ' zei Darling. 'Je kunt geen lange trekken maken als je weerstand snel wegetst, maar met SIS is het makkelijk."

evenzo, de techniek kan worden gebruikt om magnetische opnames op harde schijven of andere opslagapparaten te manipuleren, waardoor ze de opslag kunnen vergroten en tegelijkertijd kleiner kunnen worden, zei schat.

Een andere mogelijkheid voor de technologie is om te bepalen hoeveel licht er weerkaatst op een glazen of plastic oppervlak. Met behulp van SIS, wetenschappers kunnen oppervlakken zo ontwerpen dat ze bijna volledig niet-reflecterend zijn. Using this strategy, scientists can improve performance of solar cells, LEDs and even eyeglasses.

"There are also a lot of applications in electronics, " Elam said. "You can use it to squeeze more memory in a smaller space, or to build faster microprocessors. SIS lithography is a promising strategy to maintain the technological progression and scaling of Moore's Law."

The team's research on the technology has been published in the Journal of Materials Chemistry , de Journal of Physical Chemistry , Geavanceerde materialen en de Journal of Vacuum Science &Technology B .

Argonne is looking for commercial partners interested in licensing and developing the technology for more specific uses. Companies interested in leveraging Argonne's expertise in SIS should contact [email protected] to learn more and discuss possible collaborations.