Forscher der Johns Hopkins University haben neue Materialien und ein neues Verfahren entdeckt, die die ständig weitergehende Suche nach kleineren, schnelleren und erschwinglichen Mikrochips für moderne Elektronik vorantreiben könnten – von Mobiltelefonen über Autos und Haushaltsgeräte bis hin zu Flugzeugen. Das Wissenschaftlerteam hat herausgefunden, wie man mit einem präzisen und wirtschaftlichen Herstellungsverfahren Schaltkreise herstellen kann, die so klein sind, dass sie mit bloßem Auge nicht zu erkennen sind.
„Unternehmen haben ihre Roadmaps, wo sie in 10 bis 20 Jahren und darüber hinaus stehen wollen”, sagte Michael Tsapatsis, Bloomberg Distinguished Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der Johns Hopkins University. „Eine Hürde war es, ein Verfahren zu finden, um kleinere Strukturen in einer Produktionslinie herzustellen, in der man Materialien schnell und mit absoluter Präzision bestrahlt, um den Prozess wirtschaftlich zu gestalten.” Die für das Prägen auf den winzigen Formaten erforderlichen fortschrittlichen Laser existieren bereits, fügte Tsapatsis hinzu, aber die Forscher benötigten neue Materialien und neue Verfahren, um immer kleinere Mikrochips herstellen zu können.
Neue Materialien für die Chipfertigung im Nanometerbereich
Mikrochips sind flache Siliziumstücke mit eingeprägten Schaltkreisen, die grundlegende Funktionen ausführen. Bei der Herstellung beschichten die Hersteller Siliziumwafer mit einem strahlungsempfindlichen Material, um eine sehr feine Beschichtung zu erzeugen, die als „Resist“ bezeichnet wird. Wenn ein Strahl auf den Resist gerichtet wird, löst dies eine chemische Reaktion aus, die Details in den Wafer einbrennt und so Muster und Schaltkreise zeichnet.
Die leistungsstärkeren Strahlen, die erforderlich sind, um immer kleinere Details auf Chips zu gravieren, interagieren jedoch nicht stark genug mit herkömmlichen Resists. Zuvor hatten Forscher aus dem Labor von Tsapatsis und der Fairbrother Research Group an der Johns Hopkins University herausgefunden, dass Resists aus einer neuen Klasse metallorganischer Verbindungen für diesen hochleistungsfähigen Strahlungsprozess geeignet sind, der als „Beyond Extreme Ultraviolet Radiation“ (B-EUV) bezeichnet wird und das Potenzial hat, Details zu erzeugen, die kleiner sind als die derzeitige Standardgröße von 10 nm. Metalle wie Zink absorbieren das B-EUV-Licht und erzeugen Elektronen, die chemische Umwandlungen bewirken, die erforderlich sind, um Schaltungsmuster auf ein organisches Material namens Imidazol aufzudrucken.
Chemische Flüssigkeitsabscheidung eröffnet neue Möglichkeiten
Diese Forschung ist eine der ersten, bei der es Wissenschaftlern gelungen ist, diese imidazolbasierten metallorganischen Resists aus einer Lösung auf Siliziumwafer-Ebene aufzubringen und ihre Dicke mit Nanometergenauigkeit zu kontrollieren. Um die für die Beschichtung der Siliziumwafer mit den metallorganischen Materialien erforderliche Chemie zu entwickeln, kombinierte das Team Experimente und Modelle der Johns Hopkins University, der East China University of Science and Technology, der École Polytechnique Fédérale de Lausanne in der Schweiz, der Soochow University in Taiwan, des Brookhaven National Laboratory in New York und des Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien. Die neue Methodik, die sie als chemische Flüssigkeitsabscheidung (CLD) bezeichnen, lässt sich präzise steuern und ermöglicht es Forschern, schnell verschiedene Kombinationen von Metallen und Imidazolen zu untersuchen.
„Durch das Spiel mit den beiden Komponenten (Metall und Imidazol) kann man die Effizienz der Lichtabsorption und die Chemie der nachfolgenden Reaktionen verändern. Das eröffnet uns die Möglichkeit, neue metallorganische Paarungen zu schaffen“, so Tsapatsis. „Das Spannende daran ist, dass es mindestens zehn verschiedene Metalle gibt, die für diese Chemie verwendet werden können, und Hunderte von organischen Verbindungen.“
Die Forscher haben begonnen, mit verschiedenen Kombinationen zu experimentieren, um Paarungen speziell für B-EUV-Strahlung zu entwickeln, die ihrer Meinung nach in den nächsten 10 Jahren in der Fertigung zum Einsatz kommen werden. „Da verschiedene Wellenlängen unterschiedliche Wechselwirkungen mit verschiedenen Elementen haben, kann ein Metall, das bei einer Wellenlänge ein Verlierer ist, bei einer anderen Wellenlänge ein Gewinner sein“, sagte Tsapatsis. „Zink ist nicht sehr gut für extreme ultraviolette Strahlung geeignet, aber es ist eines der besten Metalle für B-EUV.“
