Door van een veelvoorkomend probleem bij de chipproductie een voordeel te maken, MIT-onderzoekers produceren structuren van slechts 30 atomen breed.

De fabricage van apparaten op nanoschaal -- de transistors in computerchips, de optica in communicatiechips, de mechanische systemen in biosensoren en in microfluïdische en microspiegelchips -- nog steeds grotendeels afhankelijk van een techniek die bekend staat als fotolithografie. Maar uiteindelijk, de grootte van de apparaten die fotolithografie kan produceren, wordt beperkt door de golflengte van licht. Naarmate nanoapparaten kleiner worden, ze zullen nieuwe fabricagemethoden eisen.

In een paar recente kranten, onderzoekers van MIT's Research Laboratory of Electronics en Singapore's Engineering Agency for Science, Technologie en Onderzoek (A*STAR) hebben een nieuwe techniek gedemonstreerd die chipkenmerken van slechts 10 nanometer — of ongeveer 30 atomen — breed kan produceren. De onderzoekers gebruiken bestaande methoden om smalle pilaren plastic op het oppervlak van een chip te deponeren; dan zorgen ze ervoor dat de pilaren in vooraf bepaalde richtingen instorten, de chip bedekken met ingewikkelde patronen.

Ironisch, het werk was een uitloper van onderzoek dat de ineenstorting van nanopilaren probeerde te voorkomen. "Het instorten van structuren is een van de grootste problemen waarmee lithografie op het niveau van 10 nanometer te maken zal krijgen, " zegt Karl Berggren, de Emanuel E. Landsman (1958) universitair hoofddocent elektrotechniek en computerwetenschappen, die het nieuwe werk leidde. “Structureel, deze dingen zijn niet zo rigide op die lengteschaal. Het is meer proberen een haar overeind te krijgen. Het wil gewoon omvallen." Berggren en zijn collega's waren aan het puzzelen over het probleem toen, hij zegt, het kwam bij hen op dat “als we het niet kunnen verslaan, misschien kunnen we het gebruiken.”

Status quo

Met fotolithografie, chips zijn in lagen opgebouwd, en nadat elke laag is afgezet, het is bedekt met een lichtgevoelig materiaal dat een resist wordt genoemd. Licht dat door een stencil met ingewikkeld patroon schijnt - een masker genoemd - legt delen van de resist bloot, maar andere niet, ongeveer zoals licht dat door een fotografisch negatief schijnt, fotopapier blootlegt. De blootgestelde delen van de resist harden uit, en de rest wordt verwijderd. Het deel van de chip dat niet door de resist wordt beschermd, wordt vervolgens weggeëtst, gewoonlijk door een zuur of plasma; de resterende resist wordt verwijderd; en het hele proces wordt herhaald.

De grootte van de functies die in de chip zijn geëtst, is beperkt, echter, door de gebruikte golflengte van het licht, en chipmakers botsen al tegen de grenzen van zichtbaar licht. Een mogelijk alternatief is het gebruik van eng gefocuste elektronenbundels - of e-bundels - om de resist bloot te leggen. Maar e-beams leggen niet de hele chip in één keer bloot, zoals het licht doet; in plaats daarvan, ze moeten rij voor rij over het oppervlak van de chip scannen. Dat maakt e-beam lithografie veel minder efficiënt dan fotolithografie.

Een pilaar in de resist etsen, anderzijds, vereist het focussen van een e-beam op slechts een enkele plek. Door dunne pilaren over de chip te verspreiden en ze in complexere patronen te laten samenvouwen, zou de efficiëntie van e-beam-lithografie kunnen toenemen.

De laag van resist die is afgezet in e-beam lithografie is zo dun dat, nadat de niet-belichte resist is weggewassen, de vloeistof die van nature achterblijft is voldoende om de pilaren onder te dompelen. Terwijl de vloeistof verdampt en de pilaren tevoorschijn komen, de oppervlaktespanning van de vloeistof die tussen de pilaren achterblijft, zorgt ervoor dat ze instorten.

ongelijk worden

In de eerste van de twee kranten, vorig jaar gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters , Berggren en Huigao Duan, een gaststudent van de Lanzhou University in China, toonde aan dat wanneer twee pijlers heel dicht bij elkaar staan, ze zullen naar elkaar toe zakken. In een vervolgdocument, verschijnen in het nummer van 5 september van het nanotech-tijdschrift Klein , Berggren, Duan (nu bij A*STAR) en Joel Yang (die promoveerde bij Berggren, ook lid geworden van A*STAR na zijn afstuderen in 2009) laten zien dat door de vorm van geïsoleerde pilaren te beheersen, ze kunnen ze laten instorten in elke richting die ze kiezen.

Meer specifiek, door een kant van de pilaar iets af te vlakken, zal deze in de tegenovergestelde richting instorten. De onderzoekers hebben geen idee waarom, Berggren zegt:Toen ze het idee van asymmetrische pilaren bedachten, ze verwachtten dat ze naar de platte kant zouden instorten, de manier waarop een boom de neiging heeft om in te storten in de richting van de bijl die hem raakt. Bij experimenten, de gedeeltelijk afgeplatte pilaren zouden in de beoogde richting instorten met een betrouwbaarheid van ongeveer 98 procent. “Dat is industrieel niet acceptabel, "Berggren zegt, "maar het is zeker prima als startpunt in een technische demonstratie."

Momenteel, de techniek heeft wel zijn beperkingen. Plaats de pilaren te dicht bij elkaar, en ze zullen naar elkaar toe zakken, ongeacht hun vorm. Dat beperkt het scala aan patronen dat de techniek kan produceren op chips met structuren die dicht op elkaar zijn gepakt, zoals ze op computerchips staan.

Maar volgens Joanna Aizenberg, de Amy Smith Berylson hoogleraar materiaalkunde aan de Harvard University, de toepassingen waar de techniek het meest nuttig zal blijken, waren misschien nog niet gedacht. “Het kan de weg openen om structuren te creëren die voorheen niet mogelijk waren, ', zegt Aizenberg. "Ze zijn nog niet in productie omdat niemand wist hoe ze te maken."

Hoewel Berggren en zijn collega's het niet wisten toen ze met hun eigen experimenten begonnen, al enkele jaren gebruikt de groep van Aizenberg de gecontroleerde ineenstorting van structuren op micrometerschaal om materialen met nieuwe optische eigenschappen te produceren. Maar "bijzonder interessante toepassingen zouden komen van deze schaal van minder dan 100 nanometer, ', zegt Aizenberg. "Het is echt een verbazingwekkend niveau van controle over de nanostructuurassemblage die de groep van Karl heeft bereikt."