Если в углеродном материале графене многие специалисты видят прекрасную альтернативу кремнию в микро- и наноэлектронике, то альтернатива методам фотолитографии, которые сегодня используют при разметке кремниевых монокристаллов для микрочипов, до сих пор не была обозначена. Потребность в дальнейшем уменьшении размера единичного элемента микросхем постепенно начинает делать технологии фотолитографии неоправданно дорогими и сложными, а в перспективе – неприменимыми вовсе.
В качестве альтернативы фотолитографии может выступить технология самосборки наноэлементов литографической маски «снизу вверх», начиная с уровня отдельных молекул.
Принципиальных трудностей здесь две – во-первых, нужно научиться получать массив одинаковых элементов нанометрового масштаба, а во-вторых, уметь добиваться их упорядочения с такой же точностью. И если первую проблему – создание массива одинаковых нанометровых элементов – можно решить с помощью применения новых для микроэлектроники материалов блок-сополимеров, то добиться их хорошего упорядочения в этом масштабе до сих пор не получалось.
Сразу две научные группы опубликовали в свежем выпуске журнала Science статьи, посвященные применению блок-сополимеров в будущей цифровой индустрии. Их достижения позволяют добиться упорядочения структур размером меньше 50 нм (это в тысячи раз меньше толщины человеческого волоса) с помощью гораздо более крупных шаблонов.
Полимерные цепи молекул блок-сополимеров состоят из двух или более компонентов разной химической природы, связанных между собой сильной ковалентной химической связью. Различие в природе этих блоков определяет тенденцию к разделению разнородных компонентов в объеме полимера, однако полного расслоения не происходит – именно благодаря химической связи между разными типами блоков полимерных цепочек.
В результате, в нанометровом масштабе (~10 нм) в объеме блок-сополимера формируется блочная структура. Она может быть построена из «кирпичиков» различной формы – сфер, цилиндров, чешуек и так далее, которые отражают распределение одного компонента блок-сополимера в матрице другого. Форма и характер распределения таких кирпичиков часто оказываются зависимыми от объемного соотношения компонентов.
Если на основе структур таких элементов научиться делать литографические маски для создания структуры наноразмерных элементов микросхем, это помогло бы в несколько раз увеличить плотность элементов и уменьшить размеры современной наноэлетроники.
В полупроводниковой индустрии и микромеханике при использовании технологии литографии поступают следующим образом. Кремниевую пластину, на которой собираются вытравливать микрообъекты, покрывают слоем специального компонента - так называемого фоторезиста. Затем покрытую фоторезистом пластину облучают светом определенной длины волны, при этом на пути света ставят шаблон, чтобы поверхность фоторезиста оказалась засвеченной лишь в нужных местах.
В результате облучения фоторезист становится растворимым, и эти растворимые участки смываются с поверхности кремния водой. Незасвеченная область не смывается и формирует так называемую маску для травления кремния, которое является следующей стадией. На сегодняшний день существует несколько методик травления кремния, включая травление раствором щелочей и плазмо-химическое травление.
В процессе травления кремния свободные от фоторезиста участки растворяются частично или полностью, покрытые же фоторезистом остаются в первозданном виде или же скорость их травления можно контролировать. В конце процесса фоторезистная маска смывается и на выходе получается кремниевая пластина с нанесенным на неё рельефом.
Комбинации различных приемов химического травления и маскирования поверхности кремния с помощью фоторезиста в ряде случаев могут быть использованы даже для получения на поверхности объектов нанометрового масштаба.
Команда Карла Берджена из Массачусетского технологического института в своей статье описала методику выращивания пленки блок-сополимеров с упорядоченной структурой в макромасштабе с использованием шаблона гораздо больших размеров, чем итоговая структура.
В качестве блок-сополимера учеными был выбран полистирен-b-полидиметилсилоксан, с объемной долей полидиметилсилоксана 16,5%. Такой материал обладает тенденцией к сегрегации разных по природе компонентов, чувствительность которых к различным химическим агентам также сильно различается. Структура блок-сополимера состоит из сфер полидиметилсилоксана диаметром 20 нм, с расстоянием между центрами сфер 40 нм.
столбиков были подобраны таким образом, чтобы точно заместить некоторые наносферы в самособирающейся структуре блок-сополимера, нанесенного на поверхность подложки-шаблона. Поверхность подложки, полученной из кремниевой пластинки с помощью технологии литографии сфокусированным пучком электронов, была модифицирована тонким слоем коротких молекул полидиметилсилоксана, чтобы столбики и химически соответствовали наносферам в структуре блок-сополимера.
Далее с помощью тонкопленочной технологии ученым удалось создать подобие двумерного кристалла на поверхности подложки – пленки блок-сополимера толщиной 50 нм. Дифракционные исследования показали, что эта пленка имеет практически идеальную кристаллическую решетку, в узлах которой находятся сферы полидиметилсилоксана.
По мнению ученых, гибкая природа структуры блоков в объеме блок-сополимерной матрицы указывает на то, что растяжение и сжатие индивидуальных цепочек отражает некоторое несоответствие между ней и нанесенной крупной структурой подложки. Потому как форма цепочки элементов определяется противоположно направленными энтропийными и энтальпийными стимулами. В перспективе возможно рассчитать ответное изменение структуры блок-сополимеров на изменение структуры подложки, управляющей процессами самосборки элементов. Таким образом, на основании математической модели в будущем ученые окажутся способны влиять на самособирающуюся структуру блок-сополимера с различной химической природой компонентов и длиной блок-сополимерного звена в молекуле.
В сочетании с особым покрытием на поверхности шаблона эти столбики заставили наносферы самостоятельно выстроиться в практически идеальную структуру.
Аналогичный подход продемонстрировала и группа Пола Нили, сотрудника университета Висконсин-Мэдисон, работавшая в сотрудничестве с корпорацией Хитачи. Однако вместо цилиндров, вытравленных электронным пучком, на подложке вытравливались круглые точки, которые в дальнейшем подвергались химической модификации. Вместо полидиметилсилоксана команда Нили использовала полиметилметакрилат в качестве примесного компонента в матрице из полистирена. Этот компонент, в отличие от полидиметилсилоксана формирует не сферические, а цилиндрические упорядоченные в пространстве блоки.
Как оказалось, для создания идеальной бездефектной структуры таких цилиндрических блоков с достаточно повторить эту структуру в точечном орнаменте на поверхности подложки с увеличенным в несколько раз размером решетки. Причем даже если размер точечного маркера на поверхности решетки вдвое превысит размер основания цилиндрического структурного элемента, это не помешает системе самоорганизоваться в идеально упорядоченную решетку. Статья ученых вышла в том же номере Science.
способны наносить как очень тонкий орнамент на подложку, толщиной порядка десятков нанометров, так и рисовать очень жирно. Толщина линии фоторезиста, оставляемого на поверхности полимерным карандашом определяется только силой нажатия на поверхность и временем подачи чернил. Особенностью технологии является то, что она позволяет рисовать на большой поверхности одновременно и очень крупные, и очень маленькие элементы.
Более подробно с инновационной методикой группы Чада Миркина из американского Северо-Западного университета можно ознакомиться в статье, которая также опубликована в последнем выпуске Science Express.
