Qualche anno fa, l'idea di un processo di fabbricazione pratico basato sul fare in modo che le molecole si organizzino in forme utili su nanoscala sembrava... fresco, Sicuro, ma anche un po' fantastico. Ora non è lontano il giorno in cui il tuo cellulare potrebbe dipendere da questo. Due documenti recenti sottolineano il punto dimostrando approcci complementari per mettere a punto il passaggio chiave:depositare film sottili di un polimero dal design unico su un modello in modo che si assembla da solo in modo ordinato, preciso, persino file di composizione alternata larghe appena 10 nanometri.

Il lavoro dei ricercatori del National Institute of Standards and Technology, il Massachusetts Institute of Technology, e IBM Almaden Research Center si concentra sui copolimeri a blocchi, una classe speciale di polimeri che, nelle condizioni appropriate, segregerà su scala microscopica in "domini" regolarmente spaziati di diversa composizione chimica. I due gruppi hanno dimostrato modi per osservare e misurare la forma e le dimensioni delle file di polimeri in tre dimensioni. Le tecniche sperimentali possono rivelarsi essenziali nella verifica e messa a punto dei modelli computazionali utilizzati per guidare lo sviluppo del processo di fabbricazione.

È una vecchia notizia che l'industria dei semiconduttori sta iniziando a scontrarsi con i limiti fisici alla tendenza decennale di chip integrati sempre più densi con dimensioni sempre più piccole, ma non ha ancora toccato il fondo. Solo recentemente, Intel Corp. ha annunciato di avere in produzione una nuova generazione di chip con una dimensione minima di 14 nanometri. È poco più di cinque volte la larghezza del DNA umano.

A quelle dimensioni, il problema è creare più livelli di mascheratura, sorta di minuscoli stencil, necessari per definire i modelli microscopici sul wafer di produzione. Le tecniche di litografia ottica utilizzate per creare le maschere in un processo simile alla fotografia bagnata della vecchia scuola semplicemente non sono in grado di riprodurre in modo affidabile l'estremamente piccolo, modelli estremamente densi. Ci sono trucchi che puoi usare come la creazione di più, maschere sovrapposte, ma sono molto costosi.

Da qui i polimeri. "Il problema nella litografia dei semiconduttori non è davvero creare piccole caratteristiche, puoi farlo, ma non puoi impacchettarle insieme, " spiega lo scienziato dei materiali del NIST Alexander Liddle. "I copolimeri a blocchi sfruttano il fatto che se creo piccole caratteristiche relativamente distanti, Posso mettere il copolimero a blocchi su quei modelli guida e in qualche modo riempire i piccoli dettagli." La strategia si chiama "moltiplicazione della densità" e la tecnica, "autoassemblaggio diretto".

I copolimeri a blocchi (BCP) sono una classe di materiali realizzati collegando due o più polimeri diversi che, mentre ricoprono, formerà prevedibile, ripetizione di forme e modelli. Con il modello litografato appropriato, i BCP in questione formeranno un film sottile in un modello di stretto, strisce alternate delle due composizioni polimeriche. In alternativa, possono essere progettati in modo che un polimero formi uno schema di perni incorporati nell'altro. Rimuovere un polimero, e in teoria, hai un modello quasi perfetto per le linee distanziate di 10-20 nanometri l'una dall'altra per diventare, forse, parte di un array di transistor.

Se funziona. "Il problema più grande per l'industria è che il modello deve essere perfetto. Non possono esserci difetti, " dice lo scienziato dei materiali del NIST Joseph Kline. "In entrambi i nostri progetti stiamo cercando di misurare l'intera struttura del modello. Normalmente, è facile vedere solo la superficie superiore, e ciò di cui l'industria è preoccupata è che creino uno schema, e sembra a posto in alto, ma giù all'interno del film, non lo è."

Il gruppo di Kline, lavorare con IBM, ha dimostrato una nuova tecnica di misurazione* che utilizza raggi X a bassa energia o "molli" prodotti dall'Advanced Light Source presso i Lawrence Berkeley National Labs per sondare la struttura del film BCP da più angolazioni. Perché il film ha un regolare, struttura ripetitiva, il modello di dispersione può essere interpretato, come fanno i cristallografi, per rivelare le forme medie delle strisce nel film. Se una scarsa corrispondenza tra i materiali provoca l'allargamento di una serie di strisce alla base, Per esempio, verrà visualizzato nel modello di dispersione. La loro principale innovazione è stata notare che sebbene la tecnica di base sia stata sviluppata utilizzando raggi X "duri" a lunghezza d'onda corta che hanno difficoltà a distinguere due polimeri strettamente correlati, risultati molto migliori possono essere ottenuti utilizzando raggi X di lunghezza d'onda maggiore che sono più sensibili alle differenze nella struttura molecolare.**

Mentre la diffusione dei raggi X può misurare le proprietà medie dei film, Il gruppo di Liddle, collaborando con il MIT, sviluppato un metodo per guardare, in dettaglio, a singole sezioni di un film eseguendo la tomografia tridimensionale con un microscopio elettronico a trasmissione (TEM).*** A differenza della tecnica di scattering, la tomografia TEM può effettivamente visualizzare i difetti nella struttura polimerica, ma solo per una piccola area. La tecnica può rappresentare un'area di circa 500 nanometri di diametro.

Fra loro, le due tecniche possono fornire dati dettagliati sulle prestazioni di un dato sistema di modelli BCP. I dati, dicono i ricercatori, sono più preziosi per testare e perfezionare i modelli di computer. "Le nostre misurazioni richiedono molto tempo, quindi non sono qualcosa che l'industria può usare sul pavimento favoloso, " dice Kline. "Ma mentre stanno sviluppando il processo, possono usare le nostre misurazioni per ottenere i modelli giusti, poi possono fare molte simulazioni e lasciare che siano i computer a capirlo."

"È così costoso e dispendioso in termini di tempo testare un nuovo processo, " concorda Liddle. "Ma se il mio modello è ben convalidato e so che il modello mi darà risultati accurati, quindi posso scorrere rapidamente le simulazioni. Questo è un fattore enorme nel settore dell'elettronica".