Невидимые микросхемы

Исследователи из Университета Джонса Хопкинса добились значительного прогресса в производстве микросхем, который может позволить создавать микросхемы настолько маленькие, что они становятся невидимыми для невооружённого глаза, согласно новым результатам, опубликованным 10 сентября в журнале Nature Chemical Engineering.

Этот прорыв решает ключевую производственную проблему, которая долгое время препятствовала стремлению полупроводниковой отрасли к всё меньшим микросхемам. Разработав новые металлоорганические материалы и новый процесс осаждения, команда исследователей создала путь к производству элементов схемы размером менее 10 нанометров с использованием процесса, который остаётся экономически целесообразным для массового производства.

Прорыв в литографии за пределами экстремального ультрафиолета

Инновация заключается в решении проблем, связанных с существующими фотолитографическими технологиями — стандартным методом травления электрических цепей на кремниевых пластинах. Традиционные радиочувствительные покрытия, известные как «резисты», не взаимодействуют эффективно с высокоэнергетическими лучами, необходимыми для создания более мелких деталей цепей на чипах.

Команда из Университета Джонса Хопкинса разработала резисты из нового класса металлорганических материалов, способных работать с «ультрафиолетовым излучением за пределами экстремального» (B-EUV), сложным источником излучения с более короткой длиной волны, который позволяет создавать структуры меньше существующего стандарта в 10 нанометров. По словам Михаила Цапатсиса, выдающегося профессора химической и биомолекулярной инженерии Блумберга, который возглавлял исследование, такие металлы, как цинк, поглощают свет B-EUV и генерируют электроны, которые запускают необходимые химические превращения для переноса схемы цепей на органический материал, называемый имидазолом.

«У компаний есть свои планы, куда они хотят прийти через 10–20 лет и даже дальше», — говорит Цапатсис. «Одной из преград было найти процесс, позволяющий создавать более мелкие элементы на производственной линии, где материалы облучаются быстро и с абсолютной точностью, чтобы сделать этот процесс экономически эффективным».

Метод химического осаждения из жидкой фазы

Это исследование отмечает один из первых случаев, когда ученым удалось осаждать эти основанные на имидазоле металлоорганические резисты из раствора на кремниевые пластины с контролем их толщины с нанометровой точностью. Команда разработала методологию, которую они называют «химическое жидкостное осаждение» (CLD), позволяющую точно регулировать параметры и быстро исследовать различные комбинации металлов и имидазолов.

В международном сотрудничестве участвовали исследователи из Университета Джонса Хопкинса, Восточно-Китайского университета науки и технологий, Федеральной политехнической школы Лозанны, Университета Суджоу, Национальной лаборатории Брукхейвена и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.

«Манипулируя двумя компонентами (металлом и имидазолом), вы можете изменять эффективность поглощения света и химию последующих реакций», — объяснил Цапатсис. «Самое увлекательное — существует по крайней мере 10 различных металлов, которые можно использовать для этой химии, и сотни органических соединений».

Отраслевые применения и сроки

Универсальность этого подхода оказывается особенно ценной, поскольку разные атомы металлов по-разному реагируют на различные длины волн излучения. «Поскольку разные длины волн по-разному взаимодействуют с разными элементами, металл, который уступает на одной длине волны, может оказаться победителем на другой», — отметил Цапатсис. «Цинк не очень хорош для работы с экстремальным ультрафиолетовым излучением, но является одним из лучших для B-EUV».

Исследователи ожидают, что производственные линии, использующие эту технологию, могут выйти на коммерческий уровень в течение следующего десятилетия, при этом ожидается, что излучение B-EUV будет применяться в производстве уже в ближайшие 10 лет. Это достижение обещает значительно уменьшить размеры элементов и увеличить плотность компонентов на чипах, что потенциально позволит полупроводниковой отрасли продолжать соответствовать требованиям закона Мура, одновременно снижая издержки и повышая энергоэффективность.

Этот прорыв происходит на фоне возрастающего давления на производителей выпускать более быстрые, компактные и доступные микросхемы для приложений, охватывающих смартфоны и автомобили до аппаратных решений для искусственного интеллекта и элементов квантовых вычислений.