Micro-elektronica zoals halfgeleiderapparaten vormen de kern van de technologieën die we elke dag gebruiken. Nu we een tijdperk binnengaan waarin we de grenzen van de wet van Moore oprekken, het is essentieel om nieuwe manieren te vinden om meer circuits in elk afzonderlijk apparaat te blijven stoppen om de snelheid en capaciteit van onze computers te vergroten.

Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een nieuwe techniek ontwikkeld die mogelijk kan helpen bij het maken van deze steeds kleinere maar complexere apparaten. De techniek, bekend als moleculaire laagetsen, wordt gedetailleerd beschreven in een nieuw artikel gepubliceerd in Chemie van materialen .

Om micro-elektronica kleiner te maken, fabrikanten moeten steeds meer circuits op kleinere films en 3D-structuren proppen. Vandaag, dit gebeurt door gebruik te maken van dunne filmafzetting en etsen, technieken om films laag voor laag te laten groeien of verwijderen.

"Ons vermogen om materie op nanoschaal te beheersen, wordt beperkt door het soort gereedschap dat we hebben om dunne lagen materiaal toe te voegen of te verwijderen. Molecular layer etching (MLE) is een hulpmiddel waarmee fabrikanten en onderzoekers precies kunnen bepalen hoe dunne materialen, op microscopische en nanoschaal, zijn verwijderd, " zei hoofdauteur Matthias Young, een assistent-professor aan de Universiteit van Missouri en voormalig postdoctoraal onderzoeker bij Argonne.

Samen met moleculaire laagafzetting (MLD), een depositietechniek, MLE kan worden gebruikt om microscopische architecturen te ontwerpen. Deze benaderingen zijn analogen van atoomlaagafzetting (ALD) en atoomlaagetsing (ALE), de meer algemeen toegepaste technieken voor het vervaardigen van micro-elektronica. Echter, in tegenstelling tot atomaire gelaagdheidstechnieken, die uitsluitend betrekking hebben op anorganische films, MLD en MLE kunnen ook worden gebruikt om organische films te kweken en te verwijderen.

Hoe het werkt

In principe, MLE werkt door dunne films te belichten, enkele nanometers of micrometers dik, tot pulsen van gas in een vacuümkamer. Het proces begint met één gas (Gas A) dat, bij binnenkomst, reageert met het oppervlak van de film. Volgende, de film wordt blootgesteld aan een tweede gas (gas B). Dit AB-proces wordt herhaald totdat de gewenste dikte van de film is verwijderd.

"Het netto-effect van A en dan B is het verwijderen van een moleculaire laag uit je film, " zei Argonne chemicus Jeff Elam, een co-auteur van de studie. "Als je dat proces achtereenvolgens doet, opnieuw en opnieuw, je kunt de dikte van je film verminderen om de gewenste uiteindelijke dikte te bereiken."

Een belangrijk aspect van MLD is dat de A- en B-oppervlaktereacties zelfbeperkend zijn. Ze gaan alleen door totdat alle beschikbare reactieve oppervlaktesites zijn verbruikt, en dan eindigen de reacties natuurlijk. Dit zelfbeperkende gedrag is uiterst nuttig bij de fabricage, aangezien het relatief eenvoudig is om het proces op te schalen naar grotere substraatafmetingen.

Onderzoekers testten hun aanpak met behulp van alucone, een organisch materiaal vergelijkbaar met siliconenrubber dat potentiële toepassingen heeft in flexibele elektronica. Gas A in hun experiment was een lithiumhoudend zout, en Gas B was trimethylaluminium (TMA), een organometaalverbinding op basis van aluminium.

Tijdens het etsproces wordt de lithiumverbinding reageerde met het oppervlak van de alucon-film op een manier die ervoor zorgde dat het lithium aan het oppervlak bleef kleven en de chemische binding in de film verstoorde. Vervolgens, toen de TMA werd geïntroduceerd en gereageerd, het verwijderde de filmlaag die lithium bevatte. Het lithium heeft een opofferende rol:het wordt tijdelijk op het oppervlak afgezet om chemische bindingen te verbreken, maar wordt vervolgens verwijderd door de TMA.

"Het proces kan zo laag voor laag doorgaan en je kunt het hele materiaal verwijderen als je wilt, ' zei Jong.

Nieuwe deuren openen in micro-elektronica

Het gebruik van deze techniek kan fabrikanten en onderzoekers helpen nieuwe manieren te ontwikkelen om nanostructuren te maken. Het proces kan voor hen ook een veiligere optie zijn omdat het vrij is van halogenen, een agressieve componenten van chemicaliën die veel voorkomen in andere etsprocessen. Het heeft ook het voordeel dat het selectief is; de etstechniek kan selectief MLD-lagen verwijderen zonder nabijgelegen ALD-lagen te beïnvloeden.

"MLE heeft het potentieel om nieuwe wegen in te leiden voor het fabriceren en controleren van materiaalgeometrieën op nanoschaal, die nieuwe deuren in de micro-elektronica zou kunnen openen en verder zou kunnen gaan dan de traditionele schaling van de wet van Moore, ' zei Elam.

Het artikel is getiteld "Molecular Layer Etching of Metalcone Films using Lithium Organic Salts and Trimethylaluminum."