Udslettelse af nanoskala defekter

Måldatoer er kritiske, når halvlederindustrien tilføjer små, forbedrede funktioner til vores yndlingsenheder ved at integrere avancerede materialer på overfladerne af computerchips. At mangle et mål betyder at udsætte en enheds frigivelse, som kan koste en virksomhed millioner af dollars eller, værre, tabet af konkurrenceevne og en hel industri. Men at nå måldatoer kan være udfordrende, fordi de endelige integrerede enheder, som omfatter milliarder af transistorer, skal være fejlfri - mindre end én defekt pr. 100 kvadratcentimeter.

Forskere ved University of Chicago og U.S. Department of Energy's Argonne National Laboratory, ledet af Juan de Pablo og Paul Nealey, kan have fundet en måde for halvlederindustrien at nå miniaturiseringsmål til tiden og uden defekter.

For at lave mikrochips, de Pablo og Nealeys teknik omfatter at skabe mønstre på halvlederoverflader, der tillader blokcopolymermolekyler at samle sig selv til specifikke former, men tyndere og med meget højere tætheder end det oprindelige mønster. Forskerne kan derefter bruge en litografisk teknik til at skabe nano-grave, hvor ledende trådmaterialer kan aflejres.

Dette er en skarp kontrast til industriens praksis med at bruge homopolymerer i komplekse "fotoresist"-formuleringer, hvor forskere har "ramt en mur, " ude af stand til at gøre materialet mindre.

Før de kunne udvikle deres nye fremstillingsmetode, imidlertid, de Pablo og Nealey havde brug for at forstå præcis, hvordan blokcopolymerer selv samler sig, når de coates på en mønstret overflade - deres bekymring er, at visse begrænsninger får copolymer nanostrukturer til at samle sig i uønskede metastabile tilstande. For at nå det perfektionsniveau, der kræves for at fremstille nanokredsløb med høj præcision, holdet var nødt til at eliminere nogle af disse metastabile tilstande.

For at forestille sig, hvordan blokcopolymerer samles, det kan være nyttigt at forestille sig et energilandskab bestående af bjerge og dale, hvor nogle dale er dybere end andre. Systemet foretrækker fejlfri stabilitet, som kan karakteriseres ved de dybeste (lavenergi) dale, hvis de kan findes. Imidlertid, systemer kan blive fanget i højere (medium energi) dale, kaldet metstabile tilstande, som har flere defekter.

At gå fra en metastabil til stabil tilstand, blok copolymer molekyler skal finde måder at klatre over bjergene og finde lavere energi dale.

"Molekyler i disse metastabile tilstande er behagelige, og de kan forblive i den tilstand i ekstraordinært lange perioder, " sagde de Pablo fra University of Chicagos og Argonne's Institute for Molecular Engineering. "For at undslippe sådanne tilstande og opnå et perfekt arrangement, de skal begynde at omarrangere sig selv på en måde, der tillader systemet at klatre over lokale energibarrierer, før man når et lavere energiminimum. Det, vi har gjort i dette arbejde, er at forudsige den vej, disse molekyler skal følge for at finde defektfrie tilstande, og designet en proces, der leverer industristandard nanokredsløb, der kan skaleres ned til mindre tætheder uden defekter."

Ved at bruge et INCITE-tilskud, de Pablo og hans team brugte Mira og Fusion supercomputere på Argonne Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science brugerfacilitet. der, holdet genererede molekylære simuleringer af selvsamlende blokpolymerer sammen med sofistikerede prøvetagningsalgoritmer for at beregne, hvor barrierer for strukturel omarrangering ville opstå i materialet.

Efter at alle beregningerne var udført, forskerne kunne præcist forudsige veje for molekylær omlejring, som blokcopolymerer skal tage for at bevæge sig fra en metastabil til stabil tilstand. De kunne også eksperimentere med temperaturer, opløsningsmidler og anvendte felter for yderligere at manipulere og mindske barriererne mellem disse tilstande.

For at teste disse beregninger, de Pablo og Nealey samarbejdede med IMEC, et internationalt konsortium beliggende i Belgien. Deres kommercielle fabrikations- og karakteriseringsinstrumenter hjalp forskerne med at udføre eksperimenter under forhold, der ikke er tilgængelige i akademiske laboratorier. En individuel defekt måler kun en håndfuld nanometer; "at finde en defekt i et område på 100 kvadratcentimeter er som at finde en nål i høstak, og der er kun få steder i verden, hvor man har adgang til det nødvendige udstyr til at gøre det, siger de Pablo.

"Producenter har længe undersøgt muligheden for at bruge blok copolymer samling for at nå de små kritiske dimensioner, der kræves af moderne computere og højere datalagringstætheder, " sagde de Pablo. "Deres største udfordring involverede at evaluere defekter; ved at følge de strategier, vi har skitseret, den udfordring er meget mindre."

John Neuffer, præsident og administrerende direktør for Semiconductor Industry Association (SIA), siger, at industrien ubønhørligt er fokuseret på at designe og bygge chips, der er mindre, mere kraftfuld og mere energieffektiv. "Nøglen til at frigøre den næste generation af halvlederinnovation er forskning, " sagde han. "SIA roser arbejdet udført af Argonne National Laboratory og University of Chicago, såvel som anden kritisk videnskabelig forskning, der udføres i hele USA."

De Pablo, Nealey og deres team vil fortsætte deres undersøgelser med en bredere klasse af materialer, at øge kompleksiteten af ​​mønstre og karakterisere materialer mere detaljeret, samtidig med at der udvikles metoder baseret på selvsamling til fremstilling af tredimensionelle strukturer.

Deres langsigtede mål, med støtte fra DOE's Office of Science, er at nå frem til en forståelse af rettet selvsamling af polymere molekyler, der vil muliggøre skabelse af brede klasser af materialer med udsøgt kontrol over deres nanostruktur og funktionalitet til anvendelser i energihøst, opbevaring og transport.