(Phys.org) – Genom åren, datorchips har blivit mindre tack vare framsteg inom materialvetenskap och tillverkningsteknik. Denna framstegsmarsch, fördubbling av transistorer på en mikroprocessor ungefär vartannat år, kallas Moores lag. Men det finns en komponent i chiptillverkningsprocessen som behöver en översyn om Moores lag ska fortsätta:den kemiska blandningen som kallas fotoresist. Liknande film som används i fotografering, fotoresist, också bara kallat motstånd, används för att lägga ner mönstren av ständigt krympande linjer och funktioner på ett chip.

Nu, i ett försök att fortsätta minska transistorstorleken samtidigt som beräkningen och energieffektiviteten ökar, Chiptillverkaren Intel har samarbetat med forskare från det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) för att designa en helt ny sorts resist. Och viktigare, de har gjort det genom att karakterisera fotoresists kemi, avgörande för att ytterligare förbättra prestandan på ett systematiskt sätt. Forskarna tror att deras resultat lätt kan införlivas av företag som gör motstånd, och hitta sin väg in i tillverkningslinjer redan 2017.

Den nya resisten kombinerar effektivt materialegenskaperna hos två redan existerande typer av resist, uppnå de egenskaper som behövs för att göra mindre funktioner för mikroprocessorer, som inkluderar bättre ljuskänslighet och mekanisk stabilitet, säger Paul Ashby, personalforskare vid Berkeley Labs Molecular Foundry, en DOE Office of Science-användaranläggning. "Vi upptäckte att blanda kemiska grupper, inklusive tvärbindare och en speciell typ av ester, skulle kunna förbättra resistens prestanda." Verket publiceras denna vecka i tidskriften Nanoteknik .

Att hitta en ny typ av fotoresist är "en av de största utmaningarna som halvledarindustrin står inför i materialrymden, säger Patrick Naulleau, chef för Center for X-ray Optics (CXRO) vid Berkeley Lab.

Dessutom, det har varit väldigt lite förståelse för den grundläggande vetenskapen om hur resist faktiskt fungerar på kemisk nivå, säger Deirdre Olynick, stabsforskare vid Molecular Foundry. "Resist är en mycket komplex blandning av material och det tog så lång tid att utveckla tekniken att det har setts som för riskabelt att göra stora steg bort från det som redan är känt. " säger hon. Men nu kan bristen på grundläggande förståelse potentiellt sätta Moores lag i fara, tillägger hon.

För att förstå varför motstånd är så viktigt, överväga en förenklad förklaring av hur dina mikroprocessorer är tillverkade. En silikonwafer, ungefär en fot i diameter, rengörs och beläggs med ett lager fotoresist. Därefter används ultraviolett ljus för att projicera en bild av det önskade kretsmönstret inklusive komponenter som ledningar och transistorer på skivan, kemiskt förändra resisten.

Beroende på typen av resist, ljus gör det antingen mer eller mindre lösligt, så när wafern är nedsänkt i ett lösningsmedel, de exponerade eller oexponerade områdena tvättas bort. Resisten skyddar materialet som utgör transistorer och ledningar från att etsas bort och kan tillåta att materialet selektivt avsätts. Denna exponeringsprocess, sköljning och etsning eller avsättning upprepas många gånger tills alla komponenter i ett chip har skapats.

Problemet med dagens motstånd, dock, är att den ursprungligen utvecklades för ljuskällor som avger så kallat djupt ultraviolett ljus med våglängder på 248 och 193 nanometer. Men för att få finare funktioner på marker, industrin har för avsikt att byta till en ny ljuskälla med en kortare våglängd på bara 13,5 nanometer. Kallas extrem ultraviolett (EUV), denna ljuskälla har redan hittat sin väg in i tillverkningen av pilotlinjer. Tyvärr, dagens fotoresist är ännu inte redo för tillverkning i stora volymer.

"Halvledarindustrin vill gå till mindre och mindre funktioner, " förklarar Ashby. Även om extremt ultraviolett ljus är en lovande teknik, han lägger till, "Du behöver också resistmaterialen som kan mönstra till den upplösning som extrem ultraviolett ljus kan lova."

Så lag ledda av Ashby och Olynick, som inkluderar Berkeley Labs postdoktor Prashant Kulshreshtha, undersökte två typer av resist. Den ena kallas tvärbindning, composed of molecules that form bonds when exposed to ultraviolet light. This kind of resist has good mechanical stability and doesn't distort during development—that is, tall, thin lines made with it don't collapse. But if this is achieved with excessive crosslinking, it requires long, expensive exposures. The second kind of resist is highly sensitive, yet doesn't have the mechanical stability.

When the researchers combined these two types of resist in various concentrations, they found they were able to retain the best properties of both. The materials were tested using the unique EUV patterning capabilities at the CXRO. Using the Nanofabrication and Imaging and Manipulation facilities at the Molecular Foundry to analyze the patterns, the researchers saw improvements in the smoothness of lines created by the photoresist, even as they shrunk the width. Through chemical analysis, they were also able to see how various concentrations of additives affected the cross-linking mechanism and resulting stability and sensitivity.

The researchers say future work includes further optimizing the resist's chemical formula for the extremely small components required for tomorrow's microprocessors. The semiconductor industry is currently locking down its manufacturing processes for chips at the so-called 10-nanometer node. Om allt går bra, these resist materials could play an important role in the process and help Moore's Law persist.