Een paar jaar geleden, het idee van een praktisch fabricageproces gebaseerd op het krijgen van moleculen om zichzelf te organiseren in bruikbare nanoschaalvormen leek ... nou ja, koel, zeker, maar ook een beetje fantastisch. Nu is de dag niet ver meer dat uw mobiele telefoon ervan afhankelijk kan zijn. Twee recente artikelen benadrukken dit punt door complementaire benaderingen te demonstreren voor het verfijnen van de belangrijkste stap:het afzetten van dunne films van een uniek ontworpen polymeer op een sjabloon zodat het zichzelf assembleert tot nette, nauwkeurig, zelfs rijen met afwisselende composities van slechts 10 nanometer breed.

Het werk van onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology, het Massachusetts Institute of Technology, en IBM Almaden Research Center richt zich op blokcopolymeren, een speciale klasse polymeren die onder de juiste omstandigheden, zal op microscopische schaal scheiden in regelmatig uit elkaar geplaatste "domeinen" van verschillende chemische samenstelling. De twee groepen demonstreerden manieren om de vorm en afmetingen van de polymeerrijen in drie dimensies te observeren en te meten. De experimentele technieken kunnen essentieel zijn bij het verifiëren en afstemmen van de rekenmodellen die worden gebruikt om de ontwikkeling van het fabricageproces te begeleiden.

Het is oud nieuws dat de halfgeleiderindustrie tegen de fysieke grenzen aanloopt van de decennialange trend van steeds dichtere geïntegreerde chips met steeds kleinere functiegroottes, maar de bodem is nog niet bereikt. Recent, Intel Corp. kondigde aan dat het een nieuwe generatie chips in productie had met een minimale feature size van 14 nanometer. Dat is iets meer dan vijf keer de breedte van het menselijk DNA.

Bij die afmetingen het probleem is het creëren van meerdere maskeerlagen, soort kleine stencils, nodig om de microscopische patronen op de productiewafel te definiëren. De optische lithografietechnieken die worden gebruikt om de maskers te maken in een proces dat lijkt op ouderwetse natte fotografie, zijn eenvoudigweg niet in staat om de extreem kleine, extreem dichte patronen. Er zijn trucs die u kunt gebruiken, zoals het maken van meerdere, overlappende maskers, maar ze zijn erg duur.

Vandaar de polymeren. "Het probleem in halfgeleiderlithografie is niet echt het maken van kleine functies - dat kan je doen - maar je kunt ze niet dicht bij elkaar pakken, ", legt NIST-materiaalwetenschapper Alexander Liddle uit. "Blokcopolymeren profiteren van het feit dat als ik kleine objecten relatief ver uit elkaar maak, Ik kan het blokcopolymeer op die leidende patronen plaatsen en de kleine details een beetje invullen." De strategie wordt "dichtheidsvermenigvuldiging" genoemd en de techniek, "gerichte zelfmontage."

Blokcopolymeren (BCP's) zijn een klasse van materialen gemaakt door twee of meer verschillende polymeren te verbinden die, terwijl ze gloeien, voorspelbaar zal vormen, herhalende vormen en patronen. Met de juiste gelithografeerde sjabloon, de BCP's in kwestie een dunne film vormen in een patroon van smalle, afwisselende strepen van de twee polymeersamenstellingen. Alternatief, ze kunnen zo worden ontworpen dat het ene polymeer een patroon van palen vormt dat in het andere is ingebed. Verwijder een polymeer, en in theorie, je hebt een bijna perfect patroon voor lijnen die 10 tot 20 nanometer uit elkaar liggen om te worden, misschien, onderdeel van een transistorarray.

Als het werkt. "Het grootste probleem voor de industrie is dat de patronen perfect moeten zijn. Er mogen geen defecten zijn, " zegt NIST-materiaalwetenschapper Joseph Kline. "In onze beide projecten proberen we de volledige structuur van het patroon te meten. Normaal gesproken, het is alleen gemakkelijk om de bovenkant te zien, en waar de industrie zich zorgen over maakt, is dat ze een patroon maken, en het ziet er goed uit aan de bovenkant, maar in de film, dat is het niet."

Kline's groep, werken met IBM, demonstreerde een nieuwe meettechniek* die gebruik maakt van energiezuinige of "zachte" röntgenstralen geproduceerd door de Advanced Light Source van Lawrence Berkeley National Labs om de structuur van de BCP-film vanuit meerdere hoeken te onderzoeken. Omdat de film een ​​regelmatige, herhalende structuur, het verstrooiingspatroon kan worden geïnterpreteerd, zoals kristallografen doen, om de gemiddelde vormen van de strepen in de film te onthullen. Als een slechte match tussen de materialen ervoor zorgt dat een reeks strepen aan de basis breder wordt, bijvoorbeeld, het zal verschijnen in het verstrooiingspatroon. Hun belangrijkste innovatie was op te merken dat hoewel de basistechniek werd ontwikkeld met behulp van "harde" röntgenstralen met een korte golflengte die moeite hebben om twee nauw verwante polymeren te onderscheiden, veel betere resultaten kunnen worden verkregen met röntgenstralen met een langere golflengte die gevoeliger zijn voor verschillen in de moleculaire structuur.**

Hoewel röntgenverstrooiing de gemiddelde eigenschappen van de films kan meten, De groep van Liddle, werken met MIT, ontwikkelde een methode om te kijken, in detail, op afzonderlijke secties van een film door driedimensionale tomografie uit te voeren met een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM).*** In tegenstelling tot de verstrooiingstechniek, de TEM-tomografie kan daadwerkelijk defecten in de polymeerstructuur afbeelden, maar alleen voor een klein gebied. De techniek kan een gebied van ongeveer 500 nanometer in beeld brengen.

Tussen hen, de twee technieken kunnen gedetailleerde gegevens opleveren over de prestaties van een bepaald BCP-patroonsysteem. De gegevens, zeggen de onderzoekers, zijn het meest waardevol voor het testen en verfijnen van computermodellen. "Onze metingen zijn vrij tijdrovend, dus ze zijn niet iets dat de industrie kan gebruiken op de fantastische vloer, " zegt Kline. "Maar terwijl ze het proces aan het ontwikkelen zijn, ze kunnen onze metingen gebruiken om de modellen goed te krijgen, dan kunnen ze veel simulaties doen en de computers het uitzoeken."

"Het is gewoon zo duur en tijdrovend om een ​​nieuw proces uit te testen, " beaamt Liddle. "Maar als mijn model goed gevalideerd is en ik weet dat het model me nauwkeurige resultaten zal geven, dan kan ik snel door de simulaties heen slingeren. Dat is een enorme factor in de elektronica-industrie."