De laatste decennia is microchipfabrikanten zijn op zoek geweest naar manieren om de patronen van draden en componenten in hun microchips steeds kleiner te maken, om er meer van op een enkele chip te passen en zo de meedogenloze vooruitgang naar snellere en krachtigere computers voort te zetten. Die vooruitgang is de laatste tijd moeilijker geworden, aangezien productieprocessen tegen fundamentele limieten aan botsen, zoals:bijvoorbeeld, de golflengten van het licht dat wordt gebruikt om de patronen te creëren.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van het MIT en in Chicago heeft een aanpak gevonden die een aantal van die limieten kan doorbreken en het mogelijk maakt om enkele van de smalste draden tot nu toe te produceren, met behulp van een proces dat gemakkelijk kan worden opgeschaald voor massaproductie met standaardapparatuur.

De nieuwe bevindingen worden deze week gerapporteerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , in een paper van postdoc Do Han Kim, afgestudeerde student Priya Moni, en professor Karen Gleason, allemaal aan het MIT, en door postdoc Hyo Seon Suh, Professor Paul Nealey, en drie anderen aan de Universiteit van Chicago en het Argonne National Laboratory. Hoewel er andere methoden zijn die zulke fijne lijntjes kunnen bereiken, het team zegt, geen van hen is kosteneffectief voor grootschalige productie.

De nieuwe aanpak maakt gebruik van een zelfassemblagetechniek waarbij materialen die bekend staan ​​als blokcopolymeren worden bedekt door een tweede polymeer. Ze worden op een oppervlak afgezet door de voorloper eerst te verwarmen zodat deze verdampt, dan laten condenseren op een koeler oppervlak, net zoals water op een warme dag condenseert aan de buitenkant van een koud drinkglas.

"Mensen willen altijd kleinere en kleinere patronen, maar om dat te bereiken wordt steeds duurder, " zegt Gleason, die de geassocieerde provoost van het MIT is, evenals de Alexander en I. Michael Kasser (1960) hoogleraar Chemische Technologie. De huidige methoden voor het produceren van objecten met een diameter kleiner dan ongeveer 22 nanometer (miljardste van een meter) vereisen over het algemeen het lijn voor lijn opbouwen van een beeld, door een bundel elektronen of ionen over het chipoppervlak te scannen - een zeer langzaam proces en daarom duur om op grote schaal te implementeren.

Het nieuwe proces maakt gebruik van een nieuwe integratie van twee bestaande methoden. Eerst, op het chipoppervlak wordt een lijnenpatroon geproduceerd met behulp van standaard lithografische technieken, waarin licht schijnt door een negatief masker dat op het chipoppervlak is geplaatst. Dat oppervlak is chemisch geëtst, zodat de verlichte gebieden verdwijnen, waardoor de ruimtes ertussen als geleidende "draden" die delen van het circuit verbinden.

Vervolgens, een laag materiaal die bekend staat als een blokcopolymeer - een mix van twee verschillende polymeermaterialen die zichzelf van nature scheiden in afwisselende lagen of andere voorspelbare patronen - wordt gevormd door spincoating van een oplossing. De blokcopolymeren zijn opgebouwd uit ketenachtige moleculen, elk bestaande uit twee verschillende polymeermaterialen die end-to-end met elkaar zijn verbonden.

"De ene helft is vriendelijk met olie, de andere helft is vriendelijk met water, " legt Kim uit. "Maar omdat ze volledig aan elkaar gehecht zijn, ze zitten een beetje aan elkaar vast." De afmetingen van de twee kettingen bepalen vooraf de grootte van lagen of andere patronen waarin ze zichzelf zullen assembleren wanneer ze worden afgezet.

Eindelijk, een topje, beschermende polymeerlaag wordt op de andere aangebracht met behulp van chemische dampafzetting (CVD). Deze topcoat, het blijkt, is een sleutel tot het proces:het beperkt de manier waarop de blokcopolymeren zichzelf assembleren, ze dwingen om verticale lagen te vormen in plaats van horizontale, als een laag cake op zijn kant.

Het onderliggende gelithografeerde patroon leidt de positionering van deze lagen, maar de natuurlijke neigingen van de copolymeren zorgen ervoor dat hun breedte veel kleiner is dan die van de basislijnen. Het resultaat is dat er nu vier (of meer, afhankelijk van de chemie) lijnen, elk een vierde zo breed, in plaats van elk origineel. De gelithografeerde laag "controleert zowel de oriëntatie als de uitlijning" van de resulterende fijnere lijnen, legt Moni uit.

Omdat de bovenste polymeerlaag bovendien van een patroon kan worden voorzien, het systeem kan worden gebruikt om elke vorm van complexe patronen op te bouwen, zoals nodig voor de onderlinge verbindingen van een microchip.

De meeste productiefaciliteiten voor microchips gebruiken de bestaande lithografische methode, en het CVD-proces zelf is een goed begrepen extra stap die relatief eenvoudig kan worden toegevoegd. Dus, het implementeren van de nieuwe methode zou veel eenvoudiger kunnen zijn dan andere voorgestelde methoden om fijnere lijnen te maken, zoals het gebruik van extreem ultraviolet licht, waarvoor de ontwikkeling van nieuwe lichtbronnen en nieuwe lenzen nodig zou zijn om het licht te concentreren. Met de nieuwe methode Gleason zegt, "Je zou niet al die machines hoeven te veranderen. En alles wat erbij komt kijken zijn bekende materialen."