Przydatna fala zanikająca

[KopalniaWiedzy.pl 358]

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.