O nouă tehnică ar putea produce cipuri cu mărimi de ordinul a doar 10 nanometri. Prin transformarea unei probleme simple din domeniul fabricării de microcipuri într-un avantaj, cercetătorii de la MIT au reuşit să producă structuri cu grosimea a 30 de atomi.
Fabricarea dispozitivelor la scară nanometrică, tranzistorii din microprocesoarele computerelor, sistemele mecanice din biosenzori şi din cipurile de tip microfluidic şi de tip microoglindă – depind încă foarte mult de o tehnică numită fotolitografie sau litografie optică. Dar în ultimul timp, mărimea dispozitivelor obţinute prin metoda fotolitografiei a ajuns la o limită care nu poate fi depăşită tocmai din cauza lungimii de undă a luminii. Pe măsură ce nanodispozitivele devin din ce în ce mai mici, producerea acestora necesită găsirea unor noi metode de fabricaţie.
Într-o serie de lucrări recente, cercetătorii de la Laboratorul de Cercetări Electronice de la MIT împreună cu cei de la Engineering Agency for Science, Technology and Research din Singapore (A* Star) au demonstrat că o nouă tehnică ar putea produce cipuri cu mărimi de ordinul a doar 10 nanometri, cam cât dimensiunea a 30 de atomi. Cercetătorii folosesc metodele deja existente pentru a depozita coloane înguste de plastic pe suprafaţa unui cip; apoi ei provoacă căderea coloanelor pe o anumită direcţie acoperind cipurile cu modele complexe.
În mod ironic, rezultatul lor a fost rodul încercării cercetătorilor de a preveni căderea coloanelor nanometrice. „Căderea structurilor este principala problemă cu care se confruntă litografia sub nivelul de 10 nanometri”, spune Karl Berggren, profesor asociat de Inginerie Electrică şi Ştiinţa Computerelor, care a condus cercetarea. „Structural, aceste lucruri nu sunt aşa de dificil de realizat la acel ordin de mărime. Este mai mult ca şi cum ai încerca să faci un fir de păr să stea drept, dar acesta vrea pur şi simplu să se răstoarne”. Berggren şi colegii săi se gândeau la această problemă când, spune el, întâmplător şi-au dat seama că „dacă noi nu putem să rezolvăm această problemă poate ar fi mai bine să ne folosim de ea”.
Controlând căderea micilor coloane depozitate pe un substrat de siliciu se poate crea un model complex
Statu quo
Folosind metoda fotolitografiei, cipurile sunt construite în straturi etajate şi după ce fiecare strat este depozitat, acesta este acoperit cu un material „sensibil la un fascicul electronic”, numit şi rezist. Lumina, trecând prin matriţe-model complexe - numite foto-măşti – iradiază doar anumite părţi din rezist, procedeu care poate fi comparat cu modul în care lumina trece printr-un negativ fotografic care expune hârtia foto. Părţile expuse se usucă, iar restul sunt îndepărtate; părţile din cipuri care nu sunt protejate de rezist sunt apoi gravate, în mod obişnuit folosindu-se un acid sau plasmă; resturile de rezist rămase sunt apoi îndepărtate şi întregul proces se repetă.
Mărimea trăsăturilor gravate pe cipuri este determinată, totuşi, de lungimea de undă a luminii folosite şi producătorii de cipuri se confruntă deja cu problema pe care o pune limitarea miniaturizării din cauza folosirii luminii vizibile. O posibilă alternativă este aceea a folosirii de fascicule de electroni accelerate - numite şi „e-raze” - pentru a iradia (expune) stratul de rezist cu care suprafaţa de lucru a fost acoperită în prealabil. Razele de electroni nu iradiază întreaga suprafaţă a cipului deodată aşa cum o face lumina; în schimb, ele scanează suprafaţa cipului cu câte un rând o singură dată. Aceasta face ca litografia cu fascicul de electroni să fie mult mai eficientă decât litografia optică.
Gravarea unei coloane pe material, pe de altă parte necesită concentrarea razei electronice doar într-un singur punct. Împrăştierea coloanelor fracţionate de-a lungul cip-ului şi lăsarea lor să cadă formând o schemă mult mai complexă poate astfel să crească eficienţa litografiei cu fascicule de electroni.
Stratul de material depozitat prin metoda litografiei cu fascicul de electroni este atât de subţire încât după ce materialul neexpus este spălat, fluidul care în mod normal rămâne în urmă este suficient pentru a acoperi coloanele. Pe măsură ce lichidul se evaporă şi coloanele se scufundă, elasticitatea suprafeţei de pe fluidul rămas între coloane permite acestora să cadă.
Cercetătorii de la RLE pot de asemenea să controleze căderea de „ziduri” de mărimi nanometrice, imprimând linii drepte pe un cip - sau în acest caz, reproducând logoul MIT.
Coloane inegale
În prima din cele două lucrări publicate anul trecut în revista “Nano Letters”, Berggren şi Huigao Duan, un student asociat de la Universitatea Lanzhou din China, au demonstrat că atunci când două coloane sunt foarte aproape una de cealaltă, ele vor cădea totuşi departe una de alta. Într-o lucrare ulterioară, apărută în numărul din 5 septembrie al revistei de nanotehnologie “Small”, semnată de Berggren, Duan (acum la A*STAR) şi Joel Yang (care a făcut doctoratul cu Berrgren şi care a mers, de asemenea, la A*STAR după ce a absolvit în 2009), se arată că prin controlarea formei coloanelor izolate se poate determina căderea acestora într-o direcţie dorită.
Şi mai precis, netezind uşor o parte a coloanei se poate provoca căderea acesteia în direcţia opusă. Cercetătorii nu îşi dau seama de ce se întâmplă aşa, spune Berggren. Când lor le-a venit ideea să folosească coloanele asimetrice, se aşteptau ca acestea să cadă către partea plată, la fel ca şi modul în care un copac tinde să cadă în direcţia axei în care a fost tăiat. În experimente, coloanele parţial turtite ar cădea în direcţia dorită cu o probabilitate de 98 la sută. „Această rată a probabilităţii nu este una acceptabilă din punct de vedere industrial”, spune Berggren, „dar este cu siguranţă un punct de plecare pentru o demonstraţie inginerească”.
În acest moment, această tehnică are limitele ei. Plasarea coloanelor prea aproape una de alta duce la căderea acestora una peste cealaltă indiferent de forma lor. Aceasta restricţionează domeniul modelelor pe care tehnica le poate produce pe cip-uri cu structuri împachetate cât mai strâns împreună, aşa cum sunt ele în microprocesoarele computerelor.
Dar potrivit Joannei Aizenberg, profesor la laboratorul de ştiinţa materialelor „Amy Smith Berylson” din cadrul Universităţii Harvard, domeniul de aplicabilitate în care această tehnică îşi va găsi cel mai bine utilitatea e posibil să nu se fi imaginat încă. „Poate deschide drumul pentru crearea de structuri care nu au fost posibile până acum”, spune Aizenberg. „Ele nu sunt în producţie pentru că încă nimeni nu ştie cum să le facă”.
De asemenea, Berggren şi colegii săi nu ştiu când vor începe propriile lor experimente, pentru câţiva ani grupul lui Aizenberg folosind tehnica controlării căderii structurilor de mărimi micrometrice pentru a produce materiale cu proprietăţi optice neobişnuite. Dar „o deosebit de interesantă aplicaţie ar veni de la cele de mărimi de ordinul sub 100 nanometri “, spune Aizenberg. „Este un nivel de control deosebit al structurilor nanometrice pe care l-a obţinut grupul lui Karl”.
Textul de mai sus reprezintă traducerea articolului "Building chips from collapsing nanopillars", publicat de web.mit.edu.
Traducere: Claudia Rusu
