Al convertir un problema común en la fabricación de chips en una ventaja, Los investigadores del MIT producen estructuras de solo 30 átomos de ancho.

La fabricación de dispositivos a nanoescala:los transistores en chips de computadora, la óptica en los chips de comunicaciones, los sistemas mecánicos de los biosensores y de los microprocesadores de microfluidos y microespejos, todavía dependen abrumadoramente de una técnica conocida como fotolitografía. Pero ultimamente, el tamaño de los dispositivos que puede producir la fotolitografía está limitado por la misma longitud de onda de la luz. A medida que los nanodispositivos se hacen más pequeños, exigirán nuevos métodos de fabricación.

En un par de artículos recientes, investigadores del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT y de la Agencia de Ingeniería para la Ciencia de Singapur, Technology and Research (A * STAR) ha demostrado una nueva técnica que podría producir características de chips de solo 10 nanómetros, o aproximadamente 30 átomos, de ancho. Los investigadores utilizan métodos existentes para depositar pilares estrechos de plástico en la superficie de un chip; luego hacen que los pilares se derrumben en direcciones predeterminadas, cubriendo el chip con intrincados patrones.

Irónicamente, el trabajo fue una rama de la investigación que intenta prevenir el colapso de los nanopilares. “El colapso de estructuras es uno de los principales problemas que enfrentará la litografía a un nivel de 10 nanómetros, ”Dice Karl Berggren, el Profesor Asociado Emanuel E. Landsman (1958) de Ingeniería Eléctrica e Informática, quien dirigió el nuevo trabajo. "Estructuralmente, estas cosas no son tan rígidas a esa escala de longitud. Es más como intentar levantar un cabello. Simplemente quiere derrumbarse ”. Berggren y sus colegas estaban desconcertados por el problema cuando, él dice, se les ocurrió que "si no podemos acabar ganando, tal vez podamos usarlo ".

Status quo

Con fotolitografía, los chips se construyen en capas, y después de depositar cada capa, está cubierto con un material sensible a la luz llamado resistencia. La luz que brilla a través de una plantilla intrincadamente estampada, llamada máscara, expone partes de la resistencia pero no otras, de la misma forma en que la luz que brilla a través de un negativo fotográfico expone el papel fotográfico. Las partes expuestas de la resistencia se endurecen, y el resto se quita. La parte del chip que no está protegida por la resistencia se graba, generalmente por un ácido o plasma; la resistencia restante se elimina; y se repite todo el proceso.

El tamaño de las características grabadas en el chip está restringido, sin embargo, por la longitud de onda de la luz utilizada, y los fabricantes de chips ya se están enfrentando a los límites de la luz visible. Una posible alternativa es usar haces de electrones estrechamente enfocados, o haces electrónicos, para exponer la resistencia. Pero los e-beams no exponen todo el chip a la vez, la forma en que lo hace la luz; en lugar de, tienen que escanear la superficie del chip una fila a la vez. Eso hace que la litografía por haz de electrones sea mucho menos eficiente que la fotolitografía.

Grabando un pilar en la resistencia, por otra parte, requiere enfocar un rayo electrónico en un solo punto. La dispersión de pilares dispersos a través del chip y permitir que colapsen en patrones más complejos podría aumentar la eficiencia de la litografía con haz de electrones.

La capa de resistir depositada en la litografía de haz electrónico es tan delgada que, después de que la resistencia no expuesta haya sido lavada, el fluido que naturalmente queda atrás es suficiente para sumergir los pilares. A medida que el fluido se evapora y emergen los pilares, la tensión superficial del fluido que queda entre los pilares hace que se derrumben.

Ponerse desigual

En el primero de los dos artículos, publicado el año pasado en la revista Nano letras , Berggren y Huigao Duan, un estudiante visitante de la Universidad de Lanzhou en China, mostró que cuando dos pilares están muy cerca uno del otro, colapsarán el uno hacia el otro. En un documento de seguimiento, que aparece en la edición del 5 de septiembre de la revista nanotech Pequeña , Berggren, Duan (ahora en A * STAR) y Joel Yang (quien hizo su trabajo de doctorado con Berggren, también se unió a A * STAR después de graduarse en 2009) muestran que al controlar la forma de pilares aislados, pueden hacer que colapsen en la dirección que elijan.

Más particularmente, aplastar ligeramente un lado del pilar hará que se derrumbe en la dirección opuesta. Los investigadores no tienen idea de por qué, Berggren dice:Cuando nacieron la idea de pilares asimétricos, esperaban que colapsaran hacia el lado plano, la forma en que un árbol tiende a colapsar en la dirección del hacha que lo golpea. En experimentos, los pilares parcialmente aplanados colapsarían en la dirección prevista con aproximadamente un 98 por ciento de confiabilidad. "Eso no es aceptable desde una perspectiva industrial, "Berggren dice, "Pero ciertamente está bien como punto de partida en una demostración de ingeniería".

En este momento, la técnica tiene sus limitaciones. Coloque los pilares demasiado juntos, y colapsarán el uno hacia el otro, no importa su forma. Eso restringe la gama de patrones que la técnica puede producir en chips con estructuras empaquetadas muy juntas, ya que están en chips de computadora.

Pero según Joanna Aizenberg, la profesora de ciencia de materiales Amy Smith Berylson en la Universidad de Harvard, es posible que aún no se hayan imaginado las aplicaciones en las que la técnica resultará más útil. “Puede abrir el camino para crear estructuras que antes no eran posibles, ”, Dice Aizenberg. "Todavía no están fabricando porque nadie sabía cómo hacerlo".

Aunque Berggren y sus colegas no lo sabían cuando comenzaron sus propios experimentos, Durante varios años, el grupo de Aizenberg ha estado utilizando el colapso controlado de estructuras a escala micrométrica para producir materiales con propiedades ópticas novedosas. Pero "aplicaciones particularmente interesantes provendrían de esta escala de menos de 100 nanómetros, ”, Dice Aizenberg. "Es un nivel realmente asombroso de control del ensamblaje de la nanoestructura que ha logrado el grupo de Karl".