En tillverkningsteknik som kunde hjälpa halvledarindustrin att göra mer kraftfulla datorchips började på de mest ödmjuka ställena - vid ett lunchbord vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory.

Materialsyntesmetoden känd som sekventiell infiltrationssyntes, eller SIS, har potential att förbättra inte bara chipstillverkning utan också saker som hårddisklagring, solcellseffektivitet, antireflekterande ytor på optik och vattenavvisande bilrutor. Uppfunnet 2010 under ett lunchtidssamtal mellan Argonne -forskare Seth Darling och Jeffrey Elam och två av deras postdoktorala forskare, användningen av metoden har ökat under de senaste åren.

Metoden baserades på gruppens diskussion om atomlageravsättning, eller ALD, en tunnfilmsdeponeringsteknik som använder alternerande kemiska ångor för att odla material ett atomskikt åt gången. Älskling, chef för Institute for Molecular Engineering i Argonne och Advanced Materials for Energy-Water Systems Energy Frontier Research Center, använde nyligen den tekniken för att lägga till en vattenälskande metalloxidbeläggning till filter som används i olje- och gasindustrin som förhindrar att filtren täpps igen.

Men när gruppen pratade, de började spekulera om att ta ALD till en ny nivå, sa älskling.

"Vi sa, "Skulle det inte vara snyggt om vi kunde odla ett material inuti ett annat material som en polymer (en sträng av många kombinerade molekyler) istället för ovanpå det?", Sa Darling. "Vi trodde först" Det här kommer inte att arbete, 'men, förvånande, det fungerade vackert på första försöket. Sedan började vi föreställa oss alla de olika applikationer den kan användas för. "

Forskningen finansierades av DOE Office of Science, Basic Energy Sciences Program samt Argonne-Northwestern Solar Energy Research Center, ett DOE-kontor för vetenskapligt finansierat forskningscenter för energi.

SIS liknar ALD på en polymeryta, men i SIS diffunderas ångan in i polymeren snarare än ovanpå den, där det kemiskt binder till polymeren och så småningom växer för att skapa oorganiska strukturer genom hela polymermassan.

Med denna teknik, forskare kan skapa robusta beläggningar som kan hjälpa halvledartillverkningsindustrin att etsa mer invecklade funktioner på datorchips, så att de kan bli ännu mindre eller lägga till extra lagringsutrymme och andra funktioner. De kan också skräddarsy formen på olika metaller, oxider och andra oorganiska material genom att applicera dem på en polymer med SIS och sedan ta bort resterna av polymeren.

"Du kan ta ett mönster i en polymer, utsätta den för ångor och omvandla den från ett organiskt material till ett oorganiskt material, "sa Elam, chef för Argonnes ALD -forskningsprogram, med hänvisning till hur metoden kan använda polymerer och en ånga för att i grunden forma ett nytt material med specifika egenskaper. "Det är ett sätt att använda ett polymermönster, och omvandla det mönstret till praktiskt taget vilket oorganiskt material som helst. "

Teknikens potential sträcker sig bortom halvledare. Det kan användas för att avancera produkter inom olika branscher, och Argonne skulle vara glada att arbeta med kommersialiseringspartners som kan ta uppfinningen och införliva den i befintliga produkter - eller uppfinna nya applikationer för att gynna USA:s ekonomi, sade Hemant Bhimnathwala, en affärsutvecklingschef på Argonne.

"Du kan använda SIS för att skapa en film, du kan lägga den på en metall, du kan skapa detta på glas eller lägga det på en vindruta i glas för att få det att vattenavvisas till den punkt där du inte behöver torkare, "Sa Bhimnathwala.

Sättet som forskarna uppfann tekniken - genom det lunchmötet - var också lite ovanligt. Nya upptäckter uppstår ofta av en slump, men vanligtvis inte genom att spotta kul idéer under lunchen, Sa Elam.

"Ibland, om du tittar intensivt, du kan se något annat där och upptäcka något nytt och oväntat, "Sa Elam." Det händer inte så ofta, men när det gör det, det är toppen."

Tekniken tar också upp ett specifikt problem inom halvledartillverkningsindustrin, mönsterkollaps, vilket betyder kollaps av små funktioner som används för att skapa elektriska komponenter på ett datorchip, gör det värdelöst.

När ett mönster etsas på ett kiselchip i chipframställningsprocessen, en etsbeständig yta används som en skyddande beläggning för att maskera de områden som du inte vill ta bort. Men de etsbeständiga beläggningarna som vanligtvis används idag försvinner mycket snabbt, vilket har hindrat chipstillverkare från att tillverka komponenter med djupt etsade funktioner, Sa älskling.

Med SIS, oorganiska ångbeläggningar kan konstrueras för att ge ett större skydd av vertikala egenskaper, möjliggör djupare etsningar och integration av fler komponenter på varje chip.

"Funktioner på marker har blivit extremt små i sidled, men ibland vill du också göra dem långa, "Darling sa." Du kan inte göra en hög funktion om din motstånd etsar bort snabbt, men med SIS är det enkelt. "

Liknande, tekniken kan användas för att manipulera magnetisk inspelning på hårddiskar eller andra lagringsenheter, så att de kan öka lagringsutrymmet samtidigt som de blir mindre, Sa älskling.

En annan möjlighet för tekniken är att kontrollera hur mycket ljus som studsar av en glas- eller plastyta. Med hjälp av SIS, forskare kan konstruera ytor för att vara nästan helt reflekterande. Med hjälp av denna strategi, forskare kan förbättra prestanda för solceller, Lysdioder och till och med glasögon.

"There are also a lot of applications in electronics, " Elam said. "You can use it to squeeze more memory in a smaller space, or to build faster microprocessors. SIS lithography is a promising strategy to maintain the technological progression and scaling of Moore's Law."

The team's research on the technology has been published in the Journal of Materials Chemistry , de Journal of Physical Chemistry , Avancerade material och den Journal of Vacuum Science &Technology B .

Argonne is looking for commercial partners interested in licensing and developing the technology for more specific uses. Companies interested in leveraging Argonne's expertise in SIS should contact [email protected] to learn more and discuss possible collaborations.