At bygge chips fra kollapsende nanopiller

Ved at gøre et almindeligt problem i spånfremstilling til en fordel, MIT-forskere producerer strukturer, der kun er 30 atomer brede.

Fremstilling af nanoskalaenheder - transistorer i computerchips, optikken i kommunikationschips, de mekaniske systemer i biosensorer og i mikrofluid- og mikrospejlchips - afhænger stadig i overvældende grad af en teknik kendt som fotolitografi. Men i sidste ende, størrelsen af ​​de enheder, som fotolitografi kan producere, er begrænset af selve lysets bølgelængde. Efterhånden som nanoenheder bliver mindre, de vil kræve nye fremstillingsmetoder.

I et par nyere aviser, forskere ved MIT's Research Laboratory of Electronics og Singapores Engineering Agency for Science, Teknologi og forskning (A*STAR) har demonstreret en ny teknik, der kunne producere chipfunktioner på kun 10 nanometer - eller omkring 30 atomer - på tværs. Forskerne bruger eksisterende metoder til at afsætte smalle søjler af plastik på en chips overflade; så får de søjlerne til at falde sammen i forudbestemte retninger, dækker chippen med indviklede mønstre.

Ironisk, arbejdet var en udløber af forskning, der forsøgte at forhindre sammenbrud af nanopiller. ”Sammenbrud af strukturer er et af de store problemer, litografi nede på 10-nanometer-niveau vil stå over for, siger Karl Berggren, Emanuel E. Landsman (1958) lektor i elektroteknik og datalogi, der ledede det nye arbejde. "Strukturelt set disse ting er ikke så stive i den længdeskala. Det er mere som at prøve at få et hår til at rejse sig. Den vil bare floppe over.” Berggren og hans kolleger undrede sig over problemet, da han siger, det gik op for dem, at "hvis vi ikke kan ende med at slå det, måske kan vi bruge det."

Status quo

Med fotolitografi, chips er bygget op i lag, og efter hvert lag er aflejret, den er dækket af et lysfølsomt materiale kaldet en resist. Lys, der skinner gennem en indviklet mønstret stencil - kaldet en maske - afslører dele af resisten, men ikke andre, på samme måde som lys, der skinner gennem et fotografisk negativ, eksponerer fotopapir. De udsatte dele af resisten hærder, og resten fjernes. Den del af chippen, der ikke er beskyttet af resisten, ætses derefter væk, sædvanligvis af en syre eller plasma; den resterende resist fjernes; og hele processen gentages.

Størrelsen af ​​de funktioner, der er ætset ind i chippen, er begrænset, imidlertid, ved bølgelængden af ​​det anvendte lys, og chipproducenter støder allerede op mod grænserne for synligt lys. Et muligt alternativ er at bruge snævert fokuserede stråler af elektroner - eller e-stråler - til at eksponere modstanden. Men e-beams blotter ikke hele chippen på én gang, måden lyset gør; i stedet, de skal scanne på tværs af chipens overflade en række ad gangen. Det gør e-beam litografi meget mindre effektiv end fotolitografi.

Ætser en søjle ind i resisten, på den anden side, kræver fokusering af en e-stråle på kun et enkelt sted. Spredning af sparsomme søjler hen over chippen og lade dem falde sammen til mere komplekse mønstre kunne således øge effektiviteten af ​​e-beam litografi.

Laget af resist aflejret i e-beam litografi er så tyndt, at efter at den ueksponerede resist er blevet vasket væk, væsken, der naturligt er tilbage, er nok til at nedsænke søjlerne. Når væsken fordamper og søjlerne dukker op, overfladespændingen af ​​væsken, der er tilbage mellem søjlerne, får dem til at kollapse.

Bliver ujævn

I det første af de to papirer, udgivet sidste år i tidsskriftet Nano bogstaver , Berggren og Huigao Duan, en gæstestuderende fra Lanzhou University i Kina, viste, at når to søjler er meget tæt på hinanden, de vil falde sammen mod hinanden. I et opfølgende papir, optræder i 5. september-udgaven af ​​nanotech-tidsskriftet Lille , Berggren, Duan (nu på A*STAR) og Joel Yang (som lavede sit ph.d.-arbejde med Berggren, også at slutte sig til A*STAR efter eksamen i 2009) viser, at ved at kontrollere formen på isolerede søjler, de kan få dem til at kollapse i hvilken som helst retning de vælger.

Mere specifikt, let fladning af den ene side af søjlen vil få den til at falde sammen i den modsatte retning. Forskerne aner ikke hvorfor Berggren siger:Da de udklækkede ideen om asymmetriske søjler, de forventede, at de ville falde sammen mod den flade side, den måde et træ har en tendens til at falde sammen i retning af øksen, der rammer det. I eksperimenter, de delvist flade søjler ville kollapse i den tilsigtede retning med omkring 98 procent pålidelighed. "Det er ikke acceptabelt fra et industrielt perspektiv, Berggren siger, "men det er bestemt fint som udgangspunkt i en ingeniørdemonstration."

I øjeblikket, teknikken har sine begrænsninger. Placér søjlerne for tæt sammen, og de vil kollapse mod hinanden, uanset deres form. Det begrænser rækken af ​​mønstre, som teknikken kan producere på chips med strukturer pakket tæt sammen, som de er på computerchips.

Men ifølge Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson professor i materialevidenskab ved Harvard University, de applikationer, hvor teknikken vil vise sig at være mest anvendelig, er måske ikke blevet forestillet endnu. ”Det kan åbne vejen for at skabe strukturer, som bare ikke var mulige før, ” siger Aizenberg. "De er ikke i produktion endnu, fordi ingen vidste, hvordan de skulle laves."

Selvom Berggren og hans kolleger ikke vidste det, da de begyndte deres egne eksperimenter, I flere år har Aizenbergs gruppe brugt det kontrollerede sammenbrud af strukturer på mikrometerskalaen til at producere materialer med nye optiske egenskaber. Men "særligt interessante applikationer ville komme fra denne sub-100 nanometer skala, ” siger Aizenberg. "Det er et virkelig fantastisk niveau af kontrol over nanostruktursamlingen, som Karls gruppe har opnået."