Znajdź zawartość

W niedalekiej przyszłości podzespoły elektroniczne mogą stać się tak małe, że umieszczenie ich na układzie scalonym będzie stanowiło poważne wyzwanie. Jednym z pomysłów na zaradzenie temu problemowi jest tworzenie chipów z molekuł, które samodzielnie będą układały się w pożądane wzory. Naukowcy z MIT-u (Massachusetts Institute of Technology) opracowali właśnie technikę, która może pomóc w tworzeniu takich "samoorganizujących się" układów scalonych. Obecnie do produkcji np. procesorów używa się technik fotolitograficznych. Warstwa materiału (np. krzemu) pokrywana jest fotorezystem, czyli materiałem wrażliwym na światło. Następnie jest ona oświetlana przez specjalną maskę z wzorem, który chcemy uzyskać. Problem jednak w tym, że długość fali światła jest większa od podzespołów na układzie scalonym. Stosuje się więc różne techniki powodujące, że światło "rysuje" wzory mniejsze od długości jego fali. Jednak techniki te nie będą działały przy dalszych postępach miniaturyzacji. Można co prawda światło zastąpić strumieniem elektronów tworzących precyzyjne wzory, jednak to tak jakby drukowanie całej strony za jednym razem zastępować przepisywaniem jej ręcznie - mówi profesor Karl Berggren. Elektronolitografia pozwala na rezygnację z maski i uzyskanie rozdzielczości rzędu 0,1 nanometra, jednak jest metodą niezwykle powolną (100 razy szybciej działa fotolitografia) i drogą. Dlatego też Berggren i współpracująca z nim profesor Caroline Ross postanowili spróbować czegoś nowego. Wykorzystali elektronolitografię jedynie do zaznaczenia pewnych punktów na podłożu. Następnie nałożyli nań kopolimer, który spontanicznie "zakotwiczył się" w zaznaczonych punktach, tworząc pożądany wzór. Kluczowe było zastosowanie właśnie kopolimeru, czyli struktury składającej się z co najmniej dwóch różnych polimerów. Pomyślcie o tym, jak o spaghetti połączonym z tagliatelle. Nie lubią się ze sobą mieszać. Gdyby miały wybór, całe spaghetti zgromadziłoby się w jednym końcu, a całe tagliatelle w drugim. Jednak nie mogą, gdyż są połączone - mówi profesor Ross. Jednak właśnie tę "chęć" oddzielenia się od siebie można wykorzystać, poprzez manipulowanie długością łańcucha kopolimeru i proporcjami polimerów, do tworzenia przewidywalnych wzorów. Podczas swoich eksperymentów Ross i Berggren stworzyli wiele różnych rodzajów obwodów. Jeden z użytych polimerów wypala się w plazmie, gdy tymczasem drugi, który zawiera krzem, zamienia się w pod jej wpływem w szkło. Szklana warstwa może zostać wykorzystana tak, jak fotorezyst w fotolitografii - może chronić to, co znajduje się pod nią, gdy reszta zostanie wypłukana. Uzyskamy w ten sposób dowolny obwód. Dan Herr, dyrektor ds. naukowych w Semiconductor Research Corporation mówi, że przed kilku laty jego organizacja poprosiła naukowców o wyodrębnienie siedmiu podstawowych kształtów, jakie powinny przybierać samoorganizujące się molekuły, by mogły zostać wykorzystane w elektronice. Od tamtej pory wszystkie siedem kształtów udało się osiągnąć. Wymagało to jednak sporych manipulacji właściwościami podłoża, na których układano molekuły. Technika Berggrena i Ross jest niezwykle prosta i znakomicie ogranicza wykorzystanie elektronolitografii, ma więc olbrzymie zalety w porównaniu do innych propozycji. Naukowcy z MIT-u sądzą, że najpierw zostanie ona wykorzystana przy produkcji dysków twardych i, prawdopodobnie, masek do tradycyjnej litografii. Obecnie stworzenie takiej maski wymaga użycia elektronolitografii i milionowych nakładów.

Na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley opracowano nową metodę tworzenia układów scalonych, która znacząco zwiększa możliwości obecnie wykorzystywanej litografii. Akademicy połączyli metalowe soczewki skupiające światło dzięki pobudzonym elektronom (plazmonom) z "latającą głowicą" przypominającą głowicę zapisująco/odczytującą dysku twardego. Już obecnie za pomocą takiego urządzenia naukowcy są w stanie tworzyć linie szerokości 80 nanometrów z prędkością 12 metrów na sekundę. Twierdzą przy tym, że uda im się zwiększyć rozdzielczość urządzenia. Dzięki nanolitografii plazmonowej będziemy w stanie 10-krotnie zmniejszyć powierzchnię obecnie wykorzystywanych procesorów, jednocześnie znacząco zwiększając ich wydajność. Technologia ta może również zostać wykorzystana do tworzenia ultragęstych dysków twardych, które przechowają od 10 do 100 razy więcej danych, niż dzisiejsze dyski - mówi profesor Xiang Zhang, szef zespołu badawczego. Współczesne procesy litograficzne są bardzo podobne do procesu tworzenia fotografii. Pokryty światłoczułym materiałem plaster krzemowy poddaje się działaniu światła przepuszczonego przez maskę, która jest wzorcem przyszłego układu scalonego. Następnie naświetlony plaster poddaje się obróbce chemicznej, w wyniku której wzorzec pokrywa się odpowiednią siecią połączeń i podzespołów. Magister Liang Pan, który współpracuje przy wspomniany projekcie z profesorami Zhangiem i Davidem Bogym, wyjaśnia: Litografia optyczna, zwana też fotolitografią, umożliwia tworzenie złożonych wzorców na krzemowym podłożu. Jednak możliwości tej techniki ogranicza fundamentalna natura światła. W celu uzyskania coraz mniejszych elementów, musimy używać światła o coraz krótszej fali, co dramatycznie zwiększa koszty produkcji. Ponadto istnieje też limit dyfrakcji, ograniczający stopień skupienia światła. Przy obecnych technikach litograficznych tą granicą jest 35 nanometrów. Opracowana przez nas technologia pozwala na osiągnięcie znacznie większej rozdzielczości stosunkowo niewielkim kosztem. Naukowcy z Berkeley, by pokonać limit dyfrakcji, postanowili wykorzystać fakt, że na powierzchni metali znajdują się wolne elektrony, które po wystawieniu na działanie światła zaczynają oscylować. Ten proces oscylacji, podczas którego światło jest absorbowane i generowane, jest znany jako fala zanikająca, a jej długość jest znacznie mniejsza niż długość fali światła. Specjaliści stworzyli srebrne plazmonowe soczewki składające się z koncentrycznych kręgów, dzięki którym światło skupia się w centrum soczewki i jest emitowane na drugą stronę przez umieszczoną w jej centrum dziurę. W prototypowych soczewkach dziury miały średnicę mniejszą niż 100 nanometrów, ale, teoretycznie, możliwe jest stworzenie otworów o średnicy 5-10 nanometrów. Zestaw takich soczewek został następnie umieszczony na "latającej plazmonowej głowicy", czyli wspomnianej wcześniej głowicy poruszającej się w czasie procesu litograficznego nad światłoczułą powierzchnią. Eksperci z Berkeley mówią, że na takiej głowicy można umieścić nawet 100 000 soczewek, znacznie zwiększając jej wydajność. Cały proces przypomina nieco odtwarzanie płyt winylowych, gdzie ramieniem z igłą jest głowica plazmonowa, a płytą - obracający się plaster krzemowy. Jako że emitowane przez plazmony światło zanika po przebyciu około 100 nanometrów, głowica musi znajdować się blisko plastra, na którym tworzy układ scalony. Jest ona utrzymywana w odległości 20 nanometrów od plastra przez powietrze, którego ruch wywołany jest obracaniem się samego plastra. Naukowcy udowodnili, że dzięki swojemu urządzeniu są w stanie drukować ścieżki z prędkością od 4 do 12 metrów na sekundę. O tym, jak precyzyjnie działa całość, niech świadczy porównanie profesora Zhanga, który stwierdził, że to tak, jakby Boeing 747 leciał na wysokości 2 milimetrów nad ziemią. Co więcej, odległość wspomnianych 20 nanometrów jest stała i utrzymuje się bez względu na nierówności powierzchni plastra. Obecnie pojedyncza maszyna do litografii kosztuje 20 milionów dolarów, a zestaw masek - milion dolarów. Przechodzenie na kolejny etap procesu produkcyjnego, czyli zmniejszanie skali np. z 60 do 45 nanometrów, wymaga zastosowania kolejnych bardzo kosztownych luster i soczewek. Inżynierowie z Berkeley mówią, że dzięki ich technologii urządzenia do litografii, które muszą powstać, by można było nadal zmniejszać poszczególne elementy układu scalonego, będą kosztowały wielokrotnie mniej, niż przy zastosowaniu tradycyjnej technologii. Istnieją, oczywiście, rozwiązania alternatywne dla propozycji z Berkeley - elektronolitografia czy rentgenolitografia - jednak, w porównaniu z nanolitografią plazmonową proces tworzenia układów scalonych jest w tych przypadkach znacznie wolniejszy. Profesor Zhang mówi, że opracowana przez jego zespół technologia powinna trafić na rynek w ciągu 3-5 lat.

Naukowcy pracujący dla Intela ujawnili, że prace nad fotolitografią w bardzo dalekim ultrafiolecie (EUV) posuwają się wolniej, niż przypuszczano. Dlatego też radzą, by producenci układów scalonych wdrażali obecnie dostępne techniki litograficzne do produkcji chipów w technologii 32 nanometrów. Mike Mayberry z Intela przyznał, że w ciągu ostatniego roku technologia EUV rozwinęła się tylko nieznacznie. W związku z licznymi problemami technologicznymi Intel stwierdził, że pierwsze maszyny do litografii EUV zacznie wykorzystywać dopiero w 2009 roku. Mimo problemów można jednak zauważyć pewien postęp. W sierpniu bieżącego roku firma ASML Holding NV dostarczyła pierwsze w historii urządzenie do litografii EUV. Warta 65 milionów dolarów maszyna przeznaczona jest jednak nie do produkcji układów, ale do dalszych badań nad rozwojem techniki litograficznej.