Наноуменшитель

Наноуменшитель

Розміри наноелектроніки підійшли до межі. Далі все буде збиратися саме по собі з окремих молекул. Відразу дві групи вчених придумали, як змусити «цеглинки» блок-сополімерів збиратися в упорядковані структури, що повторюють задані шаблони, в набагато менших масштабах.


Якщо у вуглецевому матеріалі графені багато фахівців бачать прекрасну альтернативу кремнію в мікро- і наноелектроніці, то альтернатива методам фотолітографії, які сьогодні використовують при розмітці кремнієвих монокристалів для мікрочіпів, досі не була позначена. Потреба в подальшому зменшенні розміру одиничного елемента мікросхем поступово починає робити технології фотолітографії невиправдано дорогими і складними, а в перспективі - непримінними зовсім.

Як альтернативу фотолітографії може виступити технологія самозбірки наноелементів літографічної маски «знизу вгору», починаючи з рівня окремих молекул.

Принципових труднощів тут дві - по-перше, потрібно навчитися отримувати масив однакових елементів нанометрового масштабу, а по-друге, вміти домагатися їх впорядкування з такою ж точністю. І якщо першу проблему - створення масиву однакових нанометрових елементів - можна вирішити за допомогою застосування нових для мікроелектроніки матеріалів блок-сополімерів, то домогтися їх хорошого впорядкування в цьому масштабі досі не виходило.

Відразу дві наукові групи опублікували у свіжому випуску журналу Science статті, присвячені застосуванню блок-сополімерів у майбутній цифровій індустрії. Їх досягнення дозволяють домогтися впорядкування структур розміром менше 50 нм (це в тисячі разів менше товщини людського волосся) за допомогою набагато більших шаблонів.

Полімерні ланцюги молекул блок-сополімерів складаються з двох або більше компонентів різної хімічної природи, пов'язаних між собою сильним ковалентним хімічним зв'язком. Відмінність у природі цих блоків визначає тенденцію до поділу різнорідних компонентів в обсязі полімеру, проте повного розшарування не відбувається - саме завдяки хімічному зв'язку між різними типами блоків полімерних ланцюжків.

В результаті, в нанометровому масштабі (ауд 10 нм) в об'ємі блок-сополімеру формується блочна структура. Вона може бути побудована з «цеглинок» різної форми - сфер, циліндрів, лусочок і так далі, які відображають розподіл одного компонента блок-сополімеру в матриці іншого. Форма і характер розподілу таких цеглинок часто виявляються залежними від об'ємного співвідношення компонентів.

Якщо на основі структур таких елементів навчитися робити літографічні маски для створення структури нанорозмірних елементів мікросхем, це допомогло б у кілька разів збільшити щільність елементів і зменшити розміри сучасної наноелетроніки.

Проблема в тому, що масиви таких елементів в обсязі блок-сополімера при застиганні речовини формують лише невеликі домени з упорядкованою структурою, тоді як весь блок-сополімер залишається подобою полікристалічної речовини, що складається з неупорядкованої безлічі доменів-кристалів.

Команда Карла Берджена з Массачусетського технологічного інституту у своїй статті описала методику вирощування плівки блок-сополімерів з упорядкованою структурою в макромасштабі з використанням шаблону набагато більших розмірів, ніж підсумкова структура.

В якості блок-сополимера вченими був обраний полістирен-b-полідіметилсілоксан, з об'ємною часткою полідіметилсілоксану 16,5%. Такий матеріал володіє тенденцією до сегрегації різних за природою компонентів, чутливість яких до різних хімічних агентів також сильно розрізняється. Структура блок-сополімеру складається зі сфер полідіметилсілоксану діаметром 20 нм, з відстанню між центрами сфер 40 нм.

Щоб змусити ці наносфери утворити впорядковану структуру в макромасштабі, вчені приготували підкладку-шаблон зі структурними елементами - циліндричними стовпчиками, просторове розташування яких відповідає структурі сфер в доменах блок-сополімеру, проте має в кілька разів великі масштаби.

У поєднанні з особливим покриттям на поверхні шаблону ці стовпчики змусили наносфери самостійно вишикуватися в практично ідеальну структуру.

Аналогічний підхід продемонструвала і група Пола Нілі, співробітника університету Вісконсін-Медісон, яка працювала у співпраці з корпорацією Хітачі. Однак замість циліндрів, витравлених електронним пучком, на підкладці витравлювалися круглі точки, які в подальшому піддавалися хімічній модифікації. Замість полідіметилсілоксану команда Нілі використовувала поліметилметакрилат як примісний компонент у матриці з полістирену. Цей компонент, на відміну від полідіметилсілоксану формує не сферичні, а циліндричні впорядковані в просторі блоки.

Як виявилося, для створення ідеальної бездефектної структури таких циліндричних блоків з достатньо повторити цю структуру в точковому орнаменті на поверхні підкладки з збільшеним в кілька разів розміром решітки. Причому навіть якщо розмір точкового маркера на поверхні решітки вдвічі перевищить розмір основи циліндричного структурного елемента, це не завадить системі самоорганізуватися в ідеально впорядковану решітку. Стаття вчених вийшла в тому ж номері Science.

Подальші роботи в цьому напрямку повинні дозволити відмовитися від застосування цькування шаблону за допомогою електронного пучка на користь більш дешевих і масштабних технологій, подібних до фотолітографічної. Однією з них може стати і технологія «полімерного олівця» - масиву дотепних полімерних елементів, які «зафарбовують» фоторезистентним матеріалом саму поверхню, на якій «витравлюється» потрібний візерунок. При подальшому фотолітографічному процесі можна зовсім обійтися без маски.