Løftet om dybe riller

En fremstillingsteknik, der kunne hjælpe halvlederindustrien med at lave mere kraftfulde computerchips, begyndte de mest ydmyge steder - ved et frokostbord ved det amerikanske energiministerium (DOE) Argonne National Laboratory.

Materialesyntesemetoden kendt som sekventiel infiltrationssyntese, eller SIS, har potentiale til ikke kun at forbedre chipfremstilling, men også ting som harddisklagring, solcelleeffektivitet, antireflekterende overflader på optik og vandafvisende bilforruder. Opfundet i 2010 under en frokosttidssamtale mellem Argonne -forskere Seth Darling og Jeffrey Elam og to af deres postdoktorale forskere, brug af metoden er vokset i de senere år.

Metoden var baseret på gruppens diskussion af deponering af atomlag, eller ALD, en tyndfilmaflejringsteknik, der bruger skiftevis kemiske dampe til at dyrke materialer et atomlag ad gangen. Skat, direktør for Institute for Molecular Engineering i Argonne og Advanced Materials for Energy-Water Systems Energy Frontier Research Center, for nylig brugt denne teknik til at tilføje en vandelskende metaloxidbelægning til filtre, der bruges i olie- og gasindustrien, som forhindrer filtre i at tilstoppe.

Men da gruppen talte, de begyndte at spekulere om at tage ALD til et nyt niveau, sagde Darling.

"Vi sagde, 'Ville det ikke være pænt, hvis vi kunne dyrke et materiale i et andet materiale som en polymer (en snor med mange kombinerede molekyler) i stedet for oven på det?' "Sagde Darling." Vi tænkte først 'Dette kommer ikke til at arbejde, ' men, overraskende, det fungerede smukt ved første forsøg. Så begyndte vi at forestille os alle de forskellige applikationer, den kunne bruges til. "

Forskningen blev finansieret af DOE Office of Science, Basic Energy Sciences Program samt Argonne-Northwestern Solar Energy Research Center, et DOE Office of Science-funded Energy Frontier Research Center.

SIS ligner ALD på en polymeroverflade, men i SIS diffunderes dampen ind i polymeren frem for oven på den, hvor det kemisk binder med polymeren og til sidst vokser til at skabe uorganiske strukturer i hele polymermassen.

Ved hjælp af denne teknik, forskere kan skabe robuste belægninger, der kan hjælpe halvlederproduktionsindustrien med at etse mere indviklede funktioner på computerchips, så de kan blive endnu mindre eller tilføje ekstra lagerplads og andre muligheder. De kan også skræddersy formen på forskellige metaller, oxider og andre uorganiske materialer ved at påføre dem på en polymer med SIS og derefter fjerne resterne af polymeren.

"Du kan tage et mønster i en polymer, udsætte det for dampe og omdanne det fra et organisk materiale til et uorganisk materiale, sagde Elam, direktør for Argonnes ALD -forskningsprogram, med henvisning til den måde, metoden kan bruge polymerer og en damp til stort set at forme et nyt materiale med specifikke egenskaber. "Det er en måde at bruge et polymermønster på, og konverter dette mønster til stort set ethvert uorganisk materiale. "

Teknologiens potentiale rækker ud over halvledere. Det kunne bruges til at fremme produkter i forskellige industrier, og Argonne ville glæde sig over at arbejde med kommercialiseringspartnere, der kan tage opfindelsen og inkorporere den i eksisterende produkter - eller opfinde nye applikationer til gavn for amerikansk økonomi, sagde Hemant Bhimnathwala, en forretningsudviklingschef hos Argonne.

"Du kan bruge SIS til at lave en film, du kan lægge det på et metal, du kan oprette dette på glas eller lægge det på en glasrude for at få det til at afvise vand til det punkt, hvor du ikke har brug for visker, "Sagde Bhimnathwala.

Den måde forskerne opfandt teknikken på - gennem det frokostmøde - var også lidt usædvanlig. Nye opdagelser sker ofte ved et uheld, men normalt ikke ved spidballing -ideer over frokosten, Sagde Elam.

"Lejlighedsvis, hvis du ser opmærksomt på, du kan se noget andet der og opdage noget nyt og uventet, "Sagde Elam." Det sker ikke ret tit, men når den gør det, det er godt."

Teknikken adresserer også en specifik bekymring i halvlederproduktionsindustrien, mønster kollaps, hvilket betyder sammenbrud af små funktioner, der bruges til at oprette elektriske komponenter på en computerchip, gør det ubrugeligt.

Når et mønster er ætset på en siliciumchip i chipfremstillingsprocessen, en ætsningsbestandig overflade bruges som en beskyttende belægning til at maskere de områder, du ikke ønsker at fjerne. Men de ætsningsbestandige belægninger, der normalt bruges i dag, slides meget hurtigt, som har forhindret chipproducenter i at lave komponenter med dybt ætsede funktioner, Darling sagde.

Med SIS, uorganiske dampbelægninger kan konstrueres til at give større beskyttelse af lodrette træk, muliggør dybere ætsninger og integration af flere komponenter på hver chip.

"Funktioner på chips er blevet ekstremt små sideværts, men nogle gange vil du også gøre dem høje, "Darling sagde." Du kan ikke lave en høj funktion, hvis din modstand ætser hurtigt væk, men med SIS er det let. "

Tilsvarende teknikken kan bruges til at manipulere magnetisk optagelse på harddiske eller andre lagerenheder, giver dem mulighed for at øge lagringen, mens de også bliver mindre, Darling sagde.

En anden mulighed for teknologien er at styre, hvor meget lys der hopper af en glas- eller plastoverflade. Ved hjælp af SIS, forskere kan konstruere overflader til at være næsten helt ikke-reflekterende. Ved hjælp af denne strategi, scientists can improve performance of solar cells, LEDs and even eyeglasses.

"There are also a lot of applications in electronics, " Elam said. "You can use it to squeeze more memory in a smaller space, or to build faster microprocessors. SIS lithography is a promising strategy to maintain the technological progression and scaling of Moore's Law."

The team's research on the technology has been published in the Journal of Materials Chemistry , det Journal of Physical Chemistry , Avancerede materialer og Journal of Vacuum Science &Technology B .

Argonne is looking for commercial partners interested in licensing and developing the technology for more specific uses. Companies interested in leveraging Argonne's expertise in SIS should contact [email protected] to learn more and discuss possible collaborations.