(Phys.org) — Door de jaren heen, computerchips zijn kleiner geworden dankzij de vooruitgang in materiaalwetenschap en productietechnologieën. Deze mars van vooruitgang, de verdubbeling van transistors op een microprocessor ongeveer om de twee jaar, heet de Wet van Moore. Maar er is één onderdeel van het proces van het maken van chips dat een herziening nodig heeft als de wet van Moore blijft bestaan:het chemische mengsel dat fotoresist wordt genoemd. Net als bij film die in de fotografie wordt gebruikt, fotoresist, ook net weerstand genoemd, wordt gebruikt om de patronen van steeds kleiner wordende lijnen en functies op een chip vast te leggen.

Nutsvoorzieningen, in een poging om de transistorafmetingen te blijven verkleinen en tegelijkertijd de berekening en energie-efficiëntie te vergroten, chipmaker Intel is een samenwerking aangegaan met onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy om een ​​geheel nieuw soort resist te ontwerpen. En belangrijker nog, ze hebben dit gedaan door de chemie van fotoresist te karakteriseren, cruciaal om de prestaties op een systematische manier verder te verbeteren. De onderzoekers denken dat hun resultaten gemakkelijk kunnen worden opgenomen door bedrijven die resistente, en vinden al in 2017 hun weg naar productielijnen.

De nieuwe resist combineert effectief de materiaaleigenschappen van twee reeds bestaande soorten resist, het bereiken van de kenmerken die nodig zijn om kleinere functies voor microprocessors te maken, waaronder een betere lichtgevoeligheid en mechanische stabiliteit, zegt Paul Ashby, stafwetenschapper bij Berkeley Lab's Molecular Foundry, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. "We ontdekten dat het mengen van chemische groepen, inclusief cross linkers en een bepaald type ester, zou de prestaties van de resist kunnen verbeteren." Het werk wordt deze week gepubliceerd in het tijdschrift Nanotechnologie .

Het vinden van een nieuw soort fotoresist is "een van de grootste uitdagingen voor de halfgeleiderindustrie op het gebied van materialen, " zegt Patrick Naulleau, directeur van het Center for X-ray Optics (CXRO) bij Berkeley Lab.

Bovendien, er is heel weinig begrip van de fundamentele wetenschap van hoe resist echt werkt op chemisch niveau, zegt Deirdre Olynick, stafwetenschapper bij de Molecular Foundry. "Resist is een zeer complexe mix van materialen en het heeft zo lang geduurd om de technologie te ontwikkelen dat het maken van grote sprongen weg van wat al bekend is, als te riskant wordt beschouwd. " zegt ze. Maar nu zou het gebrek aan fundamenteel begrip de wet van Moore in gevaar kunnen brengen, zij voegt toe.

Om te begrijpen waarom weerstand zo belangrijk is, overweeg een vereenvoudigde uitleg van hoe uw microprocessors zijn gemaakt. Een siliciumwafeltje, ongeveer een voet in diameter, wordt gereinigd en bedekt met een laag fotoresist. Vervolgens wordt ultraviolet licht gebruikt om een ​​beeld te projecteren van het gewenste circuitpatroon inclusief componenten zoals draden en transistors op de wafer, het chemisch veranderen van de resist.

Afhankelijk van het type weerstand, licht maakt het min of meer oplosbaar, dus wanneer de wafel wordt ondergedompeld in een oplosmiddel, de blootgestelde of niet-belichte gebieden spoelen weg. De resist beschermt het materiaal waaruit de transistors en draden bestaan ​​tegen wegetsen en kan ervoor zorgen dat het materiaal selectief kan worden afgezet. Dit proces van blootstelling, spoelen en etsen of neerslaan wordt vele malen herhaald totdat alle componenten van een chip zijn gemaakt.

Het probleem met de weerstand van vandaag, echter, is dat het oorspronkelijk is ontwikkeld voor lichtbronnen die zogenaamd diep ultraviolet licht uitstralen met golflengten van 248 en 193 nanometer. Maar om fijnere functies op chips te krijgen, de industrie wil overstappen op een nieuwe lichtbron met een kortere golflengte van slechts 13,5 nanometer. Extreem ultraviolet (EUV) genoemd, deze lichtbron heeft zijn weg al gevonden in de productie van pilootlijnen. Helaas, de fotoresist van vandaag is nog niet klaar voor productie in grote volumes.

"De halfgeleiderindustrie wil naar steeds kleinere features gaan, " legt Ashby uit. Hoewel extreem ultraviolet licht een veelbelovende technologie is, hij voegt toe, "Je hebt ook de resistente materialen nodig die een patroon kunnen vormen met de resolutie die extreem ultraviolet kan beloven."

Dus teams onder leiding van Ashby en Olynick, waaronder Berkeley Lab postdoctoraal onderzoeker Prashant Kulshreshtha, onderzocht twee soorten resist. De ene wordt crosslinking genoemd, samengesteld uit moleculen die bindingen vormen bij blootstelling aan ultraviolet licht. This kind of resist has good mechanical stability and doesn't distort during development—that is, tall, thin lines made with it don't collapse. But if this is achieved with excessive crosslinking, it requires long, expensive exposures. The second kind of resist is highly sensitive, yet doesn't have the mechanical stability.

When the researchers combined these two types of resist in various concentrations, they found they were able to retain the best properties of both. The materials were tested using the unique EUV patterning capabilities at the CXRO. Using the Nanofabrication and Imaging and Manipulation facilities at the Molecular Foundry to analyze the patterns, the researchers saw improvements in the smoothness of lines created by the photoresist, even as they shrunk the width. Through chemical analysis, they were also able to see how various concentrations of additives affected the cross-linking mechanism and resulting stability and sensitivity.

The researchers say future work includes further optimizing the resist's chemical formula for the extremely small components required for tomorrow's microprocessors. The semiconductor industry is currently locking down its manufacturing processes for chips at the so-called 10-nanometer node. Als alles goed gaat, these resist materials could play an important role in the process and help Moore's Law persist.