NIST tilbyder elektronikindustrien to måder at snuse på selvorganiserende molekyler

For nogle få år siden, tanken om en praktisk fremstillingsproces baseret på at få molekyler til at organisere sig i nyttige nanoskalaformer syntes ... godt, fedt nok, jo da, men også lidt fantastisk. Nu er dagen ikke langt væk, hvor din mobiltelefon kan afhænge af det. To nyere papirer understreger punktet ved at demonstrere komplementære tilgange til finjustering af nøgletrinnet:deponering af tynde film af en unikt designet polymer på en skabelon, så den selv samler sig til pæn, præcis, selv rækker af vekslende sammensætning kun 10 eller deromkring nanometer bred.

Arbejdet udført af forskere ved National Institute of Standards and Technology, Massachusetts Institute of Technology, og IBM Almaden Research Center fokuserer på blokcopolymerer, en særlig klasse af polymerer, der under de rette betingelser, vil adskille sig i mikroskopisk skala i regelmæssigt adskilte "domæner" med forskellig kemisk sammensætning. De to grupper demonstrerede måder at observere og måle polymerrækkernes form og dimensioner i tre dimensioner. De eksperimentelle teknikker kan vise sig at være essentielle til at verificere og tune de beregningsmodeller, der bruges til at guide udviklingen af ​​fremstillingsprocessen.

Det er gamle nyheder, at halvlederindustrien begynder at løbe op mod fysiske grænser for den årtier lange trend med stadig tættere integrerede chips med mindre og mindre funktionsstørrelser, men det har ikke nået bunden endnu. For nylig, Intel Corp. annoncerede, at de havde en ny generation af chips i produktion med en minimumsstørrelse på 14 nanometer. Det er lidt over fem gange bredden af ​​menneskets DNA.

På disse dimensioner, problemet er at skabe de flere maskeringslag, slags små stencils, nødvendig for at definere de mikroskopiske mønstre på produktionsskiven. De optiske litografiteknikker, der bruges til at skabe maskerne i en proces, der ligner gammeldags vådfotografering, er simpelthen ikke i stand til pålideligt at gengive de ekstremt små, ekstremt tætte mønstre. Der er tricks, du kan bruge, såsom at oprette flere, overlappende masker, men de er meget dyre.

Derfor polymererne. "Problemet i halvlederlitografi er ikke rigtig at lave små funktioner - det kan du gøre - men du kan ikke pakke dem tæt sammen, " forklarer NIST-materialeforsker Alexander Liddle. "Blokcopolymerer udnytter det faktum, at hvis jeg laver små træk relativt langt fra hinanden, Jeg kan sætte blokcopolymeren på disse vejledende mønstre og slags udfylde de små detaljer. "Strategien kaldes" densitetsmultiplikation "og teknikken, "styret selvsamling."

Blokcopolymerer (BCP'er) er en klasse af materialer fremstillet ved at forbinde to eller flere forskellige polymerer, som de annealer, vil danne forudsigelige, gentagne former og mønstre. Med den korrekte litografiske skabelon, de pågældende BCP'er vil danne en tynd film i et mønster af smalt, skiftevis striber af de to polymersammensætninger. Alternativt de kan designes, så den ene polymer danner et mønster af stolper indlejret i den anden. Fjern en polymer, og i teorien, du har et næsten perfekt mønster til linjer med mellemrum 10 til 20 nanometer fra hinanden til at blive, måske, del af et transistorarray.

Hvis det virker. "Det største problem for branchen er, at mønstret skal være perfekt. Der kan ikke være fejl, " siger NIST-materialeforsker Joseph Kline. "I begge vores projekter forsøger vi at måle mønsterets fulde struktur. Normalt, det er kun nemt at se den øverste overflade, og det, industrien er bekymret for, er, at de laver et mønster, og det ser ok ud på toppen, men nede i filmen, det er det ikke. "

Klines gruppe, arbejder med IBM, demonstreret en ny måleteknik*, der bruger lavenergi eller "bløde" røntgenstråler produceret af Advanced Light Source på Lawrence Berkeley National Labs til at undersøge strukturen af ​​BCP-filmen fra flere vinkler. Fordi filmen har en regulær, gentagende struktur, spredningsmønsteret kan tolkes, ligesom krystallografer gør, at afsløre de gennemsnitlige former for striberne i filmen. Hvis en dårlig match mellem materialerne får et sæt striber til at udvide sig ved bunden, for eksempel, det vil dukke op i spredningsmønsteret. Deres største innovation var at bemærke, at selvom den grundlæggende teknik blev udviklet ved hjælp af kortbølgelængde "hårde" røntgenstråler, der har svært ved at skelne mellem to tæt beslægtede polymerer, meget bedre resultater kan opnås ved hjælp af røntgenstråler med længere bølgelængde, der er mere følsomme over for forskelle i molekylstrukturen. **

Mens røntgenspredning kan måle filmenes gennemsnitlige egenskaber, Liddles gruppe, arbejder med MIT, udviklet en metode til at se, i detaljer, ved individuelle sektioner af en film ved at lave tredimensionel tomografi med et transmissionselektronmikroskop (TEM).*** I modsætning til spredningsteknikken, TEM -tomografien kan faktisk billedfejl i polymerstrukturen - men kun for et lille område. Teknikken kan afbilde et område omkring 500 nanometer på tværs.

Mellem dem, de to teknikker kan give detaljerede data om ydeevnen af ​​et givet BCP-mønstersystem. Dataene, siger forskerne, er mest værdifulde til test og forfining af computermodeller. "Vores målinger er begge ret tidskrævende, så de er ikke noget, industrien kan bruge på det flotte gulv, "siger Kline." Men mens de udvikler processen, de kan bruge vores målinger til at få modellerne rigtige, så kan de lave en masse simuleringer og lade computerne finde ud af det."

"Det er bare så dyrt og tidskrævende at teste en ny proces, " er enig Liddle. "Men hvis min model er godt valideret, og jeg ved, at modellen vil give mig nøjagtige resultater, så kan jeg hurtigt gennemse simuleringerne. Det er en kæmpe faktor i elektronikindustrien. "