Химики придумали наноуменьшитель

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.

Проблема в том, что массивы таких элементов в объеме блок-сополимера при застывании вещества формируют лишь небольшие домены с упорядоченной структурой, тогда как весь блок-сополимер остается подобием поликристаллического вещества, состоящего из неупорядоченного множества доменов-кристаллов.

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.

Чтобы заставить эти наносферы образовать упорядоченную структуру в макромасштабе, ученые приготовили подложку-шаблон со структурными элементами – цилиндрическими столбиками, пространственное расположение которых соответствует структуре сфер в доменах блок-сополимера, однако имеет в несколько раз большие масштабы.

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.

Дальнейшие работы в этом направлении должны позволить отказаться от применения травления шаблона с помощью электронного пучка в пользу более дешевых и масштабных технологий, подобных фотолитографической. Одной из них может стать и технология «полимерного карандаша» – массива остроконечных полимерных элементов, которые «закрашивают» фоторезистентным материалом саму поверхность, на которой «вытравливается» нужный узор. При дальнейшем фотолитографическом процессе можно вовсе обойтись без маски.

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.