Streefdatums zijn van cruciaal belang wanneer de halfgeleiderindustrie kleine, verbeterde functies voor onze favoriete apparaten door geavanceerde materialen te integreren op de oppervlakken van computerchips. Een doel missen betekent de release van een apparaat uitstellen, die een bedrijf miljoenen dollars kunnen kosten of, slechter, het verlies aan concurrentievermogen en een hele industrie. Maar het halen van streefdata kan een uitdaging zijn omdat de uiteindelijke geïntegreerde apparaten, waaronder miljarden transistors, moet foutloos zijn - minder dan één defect per 100 vierkante centimeter.

Onderzoekers van de Universiteit van Chicago en het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy, onder leiding van Juan de Pablo en Paul Nealey, heeft misschien een manier gevonden voor de halfgeleiderindustrie om de miniaturisatiedoelen op tijd en zonder gebreken te halen.

Om microchips te maken, De techniek van de Pablo en Nealey omvat het creëren van patronen op halfgeleideroppervlakken waardoor blokcopolymeermoleculen zichzelf kunnen assembleren tot specifieke vormen, maar dunner en met veel hogere dichtheden dan die van het oorspronkelijke patroon. Met een lithografietechniek kunnen de onderzoekers vervolgens nano-greppels maken waarin geleidende draadmaterialen kunnen worden afgezet.

Dit staat in schril contrast met de industriële praktijk van het gebruik van homopolymeren in complexe "fotoresist"-formuleringen, waar onderzoekers "een muur hebben geraakt, " niet in staat om het materiaal kleiner te maken.

Voordat ze hun nieuwe fabricagemethode konden ontwikkelen, echter, de Pablo en Nealey moesten precies begrijpen hoe blokcopolymeren zichzelf assembleren wanneer ze worden gecoat op een oppervlak met een patroon - hun zorg is dat bepaalde beperkingen ervoor zorgen dat copolymeer-nanostructuren assembleren tot ongewenste metastabiele toestanden. Om het niveau van perfectie te bereiken dat vereist is om zeer nauwkeurige nanocircuits te fabriceren, het team moest enkele van deze metastabiele toestanden elimineren.

Om je voor te stellen hoe blokcopolymeren assembleren, het kan helpen om je een energielandschap voor te stellen dat bestaat uit bergen en valleien waar sommige valleien dieper zijn dan andere. Het systeem geeft de voorkeur aan een storingsvrije stabiliteit, die gekenmerkt kan worden door de diepste (lage energie) valleien, als ze te vinden zijn. Echter, systemen kunnen vast komen te zitten in hogere (gemiddelde energie) valleien, metastabiele toestanden genoemd, die meer gebreken hebben.

Om van een metastabiele naar een stabiele toestand te gaan, blokcopolymeermoleculen moeten manieren vinden om over de bergen te klimmen en dalen met lagere energie te vinden.

"Moleculen in deze metastabiele toestanden zijn comfortabel, en ze kunnen buitengewoon lange tijd in die staat blijven, " zei de Pablo van de Universiteit van Chicago en Argonne's Institute for Molecular Engineering. "Om aan dergelijke toestanden te ontsnappen en een perfecte regeling te bereiken, ze moeten zichzelf zo gaan herschikken dat het systeem over lokale energiebarrières heen kan klimmen, voordat een lager energieminimum wordt bereikt. Wat we in dit werk hebben gedaan, is het pad voorspellen dat deze moleculen moeten volgen om defectvrije toestanden te vinden en een proces ontworpen dat industriestandaard nanocircuits levert die kunnen worden verkleind tot kleinere dichtheden zonder defecten."

Met behulp van een INCITE-subsidie, de Pablo en zijn team gebruikten de supercomputers Mira en Fusion in de Argonne Leadership Computing Facility, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. Daar, het team genereerde moleculaire simulaties van zelfassemblerende blokpolymeren samen met geavanceerde bemonsteringsalgoritmen om te berekenen waar barrières voor structurele herschikking in het materiaal zouden ontstaan.

Nadat alle berekeningen waren gedaan, de onderzoekers konden precies de routes voorspellen van moleculaire herschikking die blokcopolymeren moeten nemen om van een metastabiele naar stabiele toestand te gaan. Ze konden ook experimenteren met temperaturen, oplosmiddelen en toegepaste velden om de barrières tussen deze toestanden verder te manipuleren en te verkleinen.

Om deze berekeningen te testen, de Pablo en Nealey werken samen met IMEC, een internationaal consortium gevestigd in België. Hun fabricage- en karakteriseringsinstrumenten van commerciële kwaliteit hielpen de onderzoekers om experimenten uit te voeren onder omstandigheden die niet beschikbaar zijn in academische laboratoria. Een individueel defect meet slechts een handvol nanometers; "Het vinden van een defect in een gebied van 100 vierkante centimeter is als het vinden van een naald in een hooiberg, en er zijn maar een paar plaatsen in de wereld waar men toegang heeft tot de benodigde apparatuur om dit te doen, ' zegt De Pablo.

"Fabrikanten onderzoeken al lang de haalbaarheid van het gebruik van blokcopolymeerassemblage om de kleine kritische afmetingen te bereiken die worden vereist door moderne computers en hogere gegevensopslagdichtheden, " zei de Pablo. "Hun grootste uitdaging was het evalueren van defecten; door de strategieën te volgen die we hebben geschetst, die uitdaging is sterk verminderd."

John Neuffer, president en CEO van de Semiconductor Industry Association (SIA), zegt dat de industrie meedogenloos gefocust is op het ontwerpen en bouwen van chips die kleiner zijn, krachtiger en energiezuiniger. "De sleutel tot het ontsluiten van de volgende generatie halfgeleiderinnovatie is onderzoek, zei hij. "SIA prijst het werk van het Argonne National Laboratory en de Universiteit van Chicago, evenals ander kritisch wetenschappelijk onderzoek dat in de Verenigde Staten wordt gedaan."

de Pablo, Nealey en hun team zullen hun onderzoek voortzetten met een bredere klasse van materialen, het vergroten van de complexiteit van patronen en het karakteriseren van materialen in meer detail, terwijl ook het ontwikkelen van methoden op basis van zelfassemblage voor de fabricage van driedimensionale structuren.

Hun langetermijndoel, met steun van het DOE's Office of Science, is om inzicht te krijgen in gerichte zelfassemblage van polymere moleculen die het mogelijk maken om brede klassen van materialen te creëren met uitstekende controle over hun nanostructuur en functionaliteit voor toepassingen bij het oogsten van energie, opslag en transport.