Genom att vända ett vanligt problem inom spåntillverkning till en fördel, MIT-forskare producerar strukturer endast 30 atomer breda.

Tillverkningen av enheter i nanoskala -- transistorerna i datorchips, optiken i kommunikationschips, de mekaniska systemen i biosensorer och i mikroflödes- och mikrospegelchips -- beror fortfarande till stor del på en teknik som kallas fotolitografi. Men i slutändan, storleken på de enheter som fotolitografi kan producera begränsas av själva våglängden av ljus. När nanoenheter blir mindre, de kommer att kräva nya tillverkningsmetoder.

I ett par senaste tidningar, forskare vid MIT:s Research Laboratory of Electronics och Singapores Engineering Agency for Science, Teknik och forskning (A*STAR) har visat en ny teknik som kan producera chipfunktioner som bara är 10 nanometer - eller cirka 30 atomer - tvärs över. Forskarna använder befintliga metoder för att deponera smala pelare av plast på ett chips yta; sedan får de pelarna att kollapsa i förutbestämda riktningar, täcker chipet med intrikata mönster.

Ironiskt, arbetet var en utlöpare av forskning som försökte förhindra kollapsen av nanopelare. "Kollaps av strukturer är ett av de stora problemen som litografi nere på 10 nanometersnivå kommer att möta, säger Karl Berggren, Emanuel E. Landsman (1958) docent i elektroteknik och datavetenskap, som ledde det nya arbetet. "Strukturmässigt, dessa saker är inte lika stela på den längdskalan. Det är mer som att försöka få ett hår att resa sig. Den vill bara floppa över.” Berggren och hans kollegor undrade över problemet när, han säger, det gick upp för dem att "om vi inte kan sluta slå det, vi kanske kan använda det."

Status quo

Med fotolitografi, chips byggs upp i lager, och efter att varje lager har avsatts, den är täckt med ett ljuskänsligt material som kallas resist. Ljus som lyser genom en intrikat mönstrad stencil – kallad en mask – exponerar delar av resisten men inte andra, ungefär som ljus som lyser genom ett fotografiskt negativ exponerar fotopapper. De exponerade delarna av resisten härdar, och resten tas bort. Den del av chipet som är oskyddad av resisten etsas sedan bort, vanligtvis av en syra eller plasma; den återstående resisten tas bort; och hela processen upprepas.

Storleken på funktionerna etsade in i chippet är begränsad, dock, av ljusets våglängd som används, och chiptillverkarna har redan stött på gränserna för synligt ljus. Ett möjligt alternativ är att använda snävt fokuserade strålar av elektroner - eller e-strålar - för att exponera resist. Men e-beams exponerar inte hela chippet på en gång, så som ljuset gör; istället, de måste skanna över ytan av chippet en rad i taget. Det gör e-beam litografi mycket mindre effektiv än fotolitografi.

Etsning av en pelare i resisten, å andra sidan, kräver fokusering av en e-stråle på endast en enda punkt. Att sprida glesa pelare över chippet och låta dem kollapsa till mer komplexa mönster kan därmed öka effektiviteten hos e-beam litografi.

Resistskiktet avsatt i e-beam litografi är så tunt att efter att det oexponerade resisten har tvättats bort, vätskan som naturligt blir kvar räcker för att sänka pelarna. När vätskan avdunstar och pelarna kommer fram, ytspänningen hos vätskan som finns kvar mellan pelarna får dem att kollapsa.

Blir ojämnt

I den första av de två tidningarna, publicerades förra året i tidskriften Nanobokstäver , Berggren och Huigao Duan, en gäststudent från Lanzhou University i Kina, visade att när två pelare är mycket nära varandra, de kommer att kollapsa mot varandra. I ett uppföljningsdokument, visas i 5 september-numret av tidskriften nanotech Små , Berggren, Duan (nu på A*STAR) och Joel Yang (som doktorerade med Berggren, som också gick med i A*STAR efter examen 2009) visar att genom att kontrollera formen på isolerade pelare, de kan få dem att kollapsa i vilken riktning de än väljer.

Mer specifikt, en lätt tillplattad sida av pelaren kommer att få den att kollapsa i motsatt riktning. Forskarna har ingen aning om varför, Berggren säger:När de kläckte idén om asymmetriska pelare, de förväntade sig att de skulle kollapsa mot den platta sidan, hur ett träd tenderar att kollapsa i riktning mot yxan som träffar det. I experiment, de delvis tillplattade pelarna skulle kollapsa i avsedd riktning med cirka 98 procents tillförlitlighet. "Det är inte acceptabelt ur ett industriellt perspektiv, säger Berggren, "men det är verkligen bra som utgångspunkt i en ingenjörsdemonstration."

Just nu, tekniken har sina begränsningar. Placera pelarna för nära varandra, och de kommer att kollapsa mot varandra, oavsett deras form. Det begränsar utbudet av mönster som tekniken kan producera på chips med strukturer tätt packade, som de är på datorchips.

Men enligt Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson professor i materialvetenskap vid Harvard University, de applikationer där tekniken kommer att visa sig vara mest användbar kanske inte har föreställts ännu. "Det kan öppna vägen för att skapa strukturer som bara inte var möjliga tidigare, säger Aizenberg. "De är inte i tillverkning ännu eftersom ingen visste hur man gör dem."

Även om Berggren och hans kollegor inte visste det när de började sina egna experiment, I flera år har Aizenbergs grupp använt den kontrollerade kollapsen av strukturer på mikrometerskala för att producera material med nya optiska egenskaper. Men "särskilt intressanta tillämpningar skulle komma från denna skala under 100 nanometer, säger Aizenberg. "Det är verkligen en fantastisk nivå av kontroll av nanostrukturen som Karls grupp har uppnått."