Med hjälp av superdatorresurserna vid Argonne Leadership Computing Facility, University of Chicago och Argonne forskare har hittat ett sätt att miniatyrisera mikrochipkomponenter med hjälp av en teknik som ger noll defekter. Detta framsteg gör det möjligt för halvledartillverkare att uppfylla miniatyriseringsmåldatum för att producera mindre komponenter med extra funktionalitet för våra favoritapparater. Upphovsman:de Pablo et al.
Måldatum är kritiska när halvledarindustrin lägger till små, förbättrade funktioner för våra favoritapparater genom att integrera avancerat material på datorchipsets ytor. Att sakna ett mål innebär att skjuta upp en enhets släpp, som kan kosta ett företag miljontals dollar eller, värre, förlusten av konkurrenskraft och en hel industri. Men att uppfylla måldatum kan vara utmanande eftersom de sista integrerade enheterna, som inkluderar miljarder transistorer, måste vara felfri - mindre än en defekt per 100 kvadratcentimeter.
Forskare vid University of Chicago och U.S. Department of Energy's Argonne National Laboratory, ledd av Juan de Pablo och Paul Nealey, kan ha hittat ett sätt för halvledarindustrin att nå miniatyriseringsmål i tid och utan defekter.
För att göra mikrochips, de Pablo och Nealeys teknik inkluderar att skapa mönster på halvledarytor som tillåter block-sampolymermolekyler att självmontera till specifika former, men tunnare och med mycket högre densiteter än de i det ursprungliga mönstret. Forskarna kan sedan använda en litografiteknik för att skapa nanogravar där ledande trådmaterial kan deponeras.
Detta är en skarp kontrast till branschpraxis att använda homopolymerer i komplexa "fotoresist" -formuleringar, där forskare har "träffat en vägg, "kan inte göra materialet mindre.
Innan de kunde utveckla sin nya tillverkningsmetod, dock, de Pablo och Nealey behövde förstå exakt hur blocksampolymerer självmonteras när de beläggs på en mönstrad yta - deras oro är att vissa begränsningar gör att sampolymernanostrukturer samlas i oönskade metastabila tillstånd. För att nå den perfektion som krävs för att tillverka högprecisionsnanokretsar, laget var tvungen att eliminera några av dessa metastabila tillstånd.
Forskare från University of Chicago och Argonne använder superdatorresurserna vid Argonne Leadership Computing Facility för att förutsäga vilken väg molekylerna måste följa för att hitta defektfria tillstånd och utformade en process som levererar industristandard-nanokretsar som kan skalas ner till mindre densiteter utan att defekter. Upphovsman:de Pablo et al.
För att föreställa mig hur block -sampolymerer monteras, det kan vara till hjälp att föreställa sig ett energilandskap som består av berg och dalar där vissa dalar är djupare än andra. Systemet föredrar defektfri stabilitet, som kan kännetecknas av de djupaste (lågenergi) dalarna, om de kan hittas. Dock, system kan fastna i högre (medelstora energidalar), kallas metastabila tillstånd, som har fler defekter.
För att flytta från ett metastabilt till stabilt tillstånd, block -sampolymermolekyler måste hitta sätt att klättra över bergen och hitta lägre energidalar.
"Molekyler i dessa metastabila tillstånd är bekväma, och de kan förbli i det tillståndet utomordentligt långa perioder, "sade de Pablo vid University of Chicago och Argonne's Institute for Molecular Engineering." För att undkomma sådana stater och uppnå ett perfekt arrangemang, de måste börja omarrangera sig på ett sätt som gör att systemet kan klättra över lokala energibarriärer, innan man når ett lägre energiminimum. Det vi har gjort i detta arbete är att förutsäga vilken väg dessa molekyler måste följa för att hitta defektfria tillstånd och utformade en process som levererar industristandard nanokretsar som kan skalas ner till mindre densiteter utan defekter. "
Med hjälp av ett INCITE -bidrag, de Pablo och hans team använde Mira och Fusion superdatorer vid Argonne Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science User Facility. Där, laget genererade molekylära simuleringar av självmonterande blockpolymerer tillsammans med sofistikerade samplingsalgoritmer för att beräkna var hinder för strukturell omorganisation skulle uppstå i materialet.
Efter att alla beräkningar gjorts, forskarna kunde exakt förutsäga vägarna för molekylär omorganisation som block -sampolymerer måste ta för att flytta från ett metastabilt till stabilt tillstånd. De kan också experimentera med temperaturer, lösningsmedel och tillämpade fält för att ytterligare manipulera och minska hindren mellan dessa tillstånd.
För att testa dessa beräkningar, de Pablo och Nealey samarbetade med IMEC, ett internationellt konsortium beläget i Belgien. Deras tillverknings- och karakteriseringsinstrument av kommersiell kvalitet hjälpte forskarna att utföra experiment under förhållanden som inte är tillgängliga i akademiska laboratorier. En enskild defekt mäter bara en handfull nanometer; "Att hitta en defekt i ett område på 100 kvadratcentimeter är som att hitta en nål i höstack, och det finns bara några få platser i världen där man har tillgång till nödvändig utrustning för att göra det, "säger de Pablo.
"Tillverkare har länge undersökt möjligheten att använda block -sampolymerenhet för att nå de små kritiska dimensioner som krävs av modern dator och högre datalagringstäthet, "sa de Pablo." Deras största utmaning var att utvärdera defekter; genom att följa de strategier vi har skisserat, den utmaningen minskar kraftigt. "
John Neuffer, VD och koncernchef för Semiconductor Industry Association (SIA), säger att industrin är obevekligt inriktad på att designa och bygga chips som är mindre, kraftfullare och mer energieffektiv. "Nyckeln till att låsa upp nästa generations halvledarinnovation är forskning, "sa han." SIA berömmer det arbete som utförts av Argonne National Laboratory och University of Chicago, liksom annan kritisk vetenskaplig forskning som görs i hela USA. "
De Pablo, Nealey och deras team kommer att fortsätta sina undersökningar med en bredare klass av material, öka komplexiteten hos mönster och karakterisera material mer detaljerat samtidigt som man utvecklar metoder baserade på självmontering för tillverkning av tredimensionella strukturer.
Deras långsiktiga mål, med stöd från DOE:s vetenskapliga kontor, är att komma fram till en förståelse för riktad självmontering av polymera molekyler som gör det möjligt att skapa breda klasser av material med utsökt kontroll över deras nanostruktur och funktionalitet för applikationer inom energihämtning, förvaring och transport.
