211service.com
3D-transistors gemaakt met moleculaire zelfassemblage
Er komt een nieuwe manier om computerchips te bouwen, waarbij moleculen worden gesynthetiseerd zodat ze automatisch worden samengevoegd tot complexe structuren - die vervolgens dienen als sjablonen voor het etsen van circuits op nanoschaal in silicium. De aanpak zou de computerindustrie in staat kunnen stellen om elektronica verder te verkleinen dan de resolutie van bestaande productiemachines. IBM-onderzoekers hebben als eersten snelle 3D-transistors gemaakt met deze nieuwe methode.
In 2011 nam de computerindustrie 3D-transistors in voor hoogwaardige geïntegreerde schakelingen omdat ze sneller schakelen en minder stroom verbruiken dan vlakke transistoren (zie Hoe driedimensionale transistoren van laboratorium naar Fab gingen). Dergelijke schakelingen zijn gewoonlijk gemaakt via fotolithografie, hetzelfde proces dat voor de meeste computerschakelingen wordt gebruikt. Bij dit proces worden siliciumwafels gecoat met een lichtgevoelig materiaal dat fotoresist wordt genoemd en vervolgens blootgesteld aan een patroon dat is gemaakt door licht door een filter te laten schijnen dat bekend staat als een masker. Overal waar licht valt, hardt de fotoresist uit; de rest wordt weggespoeld en de wafel wordt vervolgens chemisch geëtst om kenmerken te creëren in blootgestelde delen van het oppervlak.
Voor de snelste microchips, die elementen hebben die zo klein zijn als 22 nanometer en 80 nanometer uit elkaar, wordt dit proces ongeveer 30 keer herhaald, zegt Kwok Ng , directeur van nanomanufacturing bij de Semiconductor Research Corp. in North Carolina. Elke stap vereist zijn eigen dure masker en elke stap voegt tijd toe aan het proces. Fotolithografie zal werken voor de volgende generatie chips, met kenmerken van 14 nanometer groot. Maar voor snellere chips met kleinere kenmerken zal fotolithografie te duur en ingewikkeld worden en tegen grenzen aanlopen die worden bepaald door de golflengte van het licht.
De IBM-groep gebruikte een nieuwe benadering die bekend staat als gerichte zelfassemblage, met behulp van een klasse materialen die blokcopolymeren worden genoemd (polymeerketens zijn samengesteld uit twee soorten monomeren of blokken).
Het is mogelijk om deze materialen zelf-assemblerend te maken tot complexe patronen, zoals een dicht opeengepakte rij voor strepen. Dit wordt gedaan door de lengte, grootte en andere kenmerken van de polymeren aan te passen, zoals hoe twee blokken elkaar aantrekken en afstoten.
Patronen die op deze manier zijn gemaakt, kunnen veel dichter zijn dan wat mogelijk is met lithografie. Dat betekent dat de aanpak kan worden gebruikt om de kleinste, meest dicht opeengepakte en uniforme delen van een geïntegreerde schakeling te maken: bijvoorbeeld de kanalen van siliciumtransistors of de vinnen in 3D-transistors. De rest van het circuit zou nog steeds worden gevormd met behulp van de conventionele methoden.
De IBM-groep gebruikte bestaande fotolithografische methoden om een fotoresistcoating voor te bereiden om een reeks diepe, evenwijdige greppels te vormen. Deze sleuven helpen vervolgens de assemblage van blokcopolymeren te sturen, die zijn gerangschikt in patronen die nodig zijn om transistorvinnen te etsen die kleiner en dichter op elkaar gepakt waren dan mogelijk is met alleen fotolithografie. De resulterende werkende apparaten hadden eigenschappen zo dicht bij elkaar als 29 nanometer, veel kleiner dan de 80 nanometer die momenteel mogelijk is.
Ze hebben deze polymeren niet alleen gebruikt om mooie patronen te maken, maar ook om werkende apparaten te maken, zegt Caroline Ross , een materiaalwetenschapper aan het MIT die onderzoek doet naar gerichte zelfassemblage. Ze hebben een creatieve manier gedemonstreerd om patronen te krijgen die zich normaal niet zouden vormen.
Gerichte zelfmontage wordt al getest door enkele chipmakers, zegt Ng. Blokcopolymeren hebben echter de neiging om te assembleren met enkele gebreken, en het valt nog te bezien of het proces goed genoeg kan worden gecontroleerd bij een groot volume.