Las simulaciones por computadora de dos posibles morfologías de una película de copolímero en bloque demuestran la necesidad de una herramienta de imagen 3D precisa. Las áreas rojas y azules representan las dos fases diferentes de la película de polímero, visto de lado. Cada fase tiene aproximadamente 12 nm de ancho. Visto desde arriba, ambos parecen tener filas separadas uniformemente de la fase "roja", de hecho, la muestra del fondo tiene una banda horizontal no deseada que interrumpirá la transferencia del patrón. Los datos de dispersión de rayos X suaves pueden distinguir los dos. Crédito:Pitera / IBM Almaden Research Center
Hace unos pocos años, la idea de un proceso de fabricación práctico basado en conseguir que las moléculas se organicen en formas útiles a nanoescala parecía ... bueno, frio, seguro, pero también un poco fantástico. Ahora no está lejano el día en que su teléfono celular dependa de ello. Dos artículos recientes enfatizan el punto al demostrar enfoques complementarios para ajustar el paso clave:depositar películas delgadas de un polímero de diseño único en una plantilla para que se autoensamble en forma ordenada, preciso, incluso filas de composición alterna de solo 10 nanómetros de ancho.
El trabajo de investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, el Instituto de Tecnología de Massachusetts, e IBM Almaden Research Center se centra en los copolímeros de bloque, una clase especial de polímeros que, en las condiciones adecuadas, se segregará a escala microscópica en "dominios" regularmente espaciados de diferente composición química. Los dos grupos demostraron formas de observar y medir la forma y las dimensiones de las filas de polímero en tres dimensiones. Las técnicas experimentales pueden resultar esenciales para verificar y ajustar los modelos computacionales utilizados para guiar el desarrollo del proceso de fabricación.
Es una vieja noticia que la industria de los semiconductores está comenzando a toparse con los límites físicos de la tendencia de décadas de chips integrados cada vez más densos con tamaños de características cada vez más pequeños, pero aún no ha tocado fondo. Hace poco, Intel Corp. anunció que tenía en producción una nueva generación de chips con un tamaño de función mínimo de 14 nanómetros. Eso es un poco más de cinco veces el ancho del ADN humano.
En esas dimensiones, el problema es crear las múltiples capas de enmascaramiento, especie de minúsculas plantillas, necesario para definir los patrones microscópicos en la oblea de producción. Las técnicas de litografía óptica utilizadas para crear las máscaras en un proceso similar a la fotografía húmeda de la vieja escuela simplemente no son capaces de reproducir de manera confiable lo extremadamente pequeño, patrones extremadamente densos. Hay trucos que puede utilizar, como crear varios, máscaras superpuestas, Pero son muy caros.
La tomografía de microscopio electrónico de transmisión (TEM) proporciona una nanoescala, Visualización en 3-D de la estructura de un copolímero de bloques con plantilla. Las características violetas son postes de sílice fabricados mediante litografía por haz de electrones que dirigen el autoensamblaje del copolímero. El material se autoensambla para formar dos capas ortogonales de cilindros (verde). Crédito:Winterstein / NIST
De ahí los polímeros. "El problema en la litografía de semiconductores no es realmente crear pequeñas características, puede hacer eso, pero no puede empaquetarlas juntas, "explica el científico de materiales del NIST Alexander Liddle." Los copolímeros de bloque aprovechan el hecho de que si hago pequeñas características relativamente separadas, Puedo poner el copolímero de bloque en esos patrones de guía y completar los pequeños detalles ". La estrategia se llama" multiplicación de densidad "y la técnica, "Autoensamblaje dirigido".
Los copolímeros de bloque (BCP) son una clase de materiales que se fabrican conectando dos o más polímeros diferentes que, mientras recocen, formará predecible, repitiendo formas y patrones. Con la plantilla litografiada adecuada, los BCP en cuestión formarán una película delgada en un patrón de estrecha, franjas alternas de las dos composiciones poliméricas. Alternativamente, pueden diseñarse de modo que un polímero forme un patrón de postes incrustados en el otro. Retire un polímero, y en teoría, tienes un patrón casi perfecto para que las líneas espaciadas de 10 a 20 nanómetros se conviertan en, quizás, parte de una matriz de transistores.
Si funciona. "El mayor problema para la industria es que el patrón debe ser perfecto. No puede haber defectos, "dice el científico de materiales del NIST Joseph Kline." En nuestros dos proyectos estamos tratando de medir la estructura completa del patrón. Normalmente, solo es fácil ver la superficie superior, y lo que le preocupa a la industria es que hagan un patrón, y se ve bien en la parte superior pero en el interior de la película no lo es ".
El grupo de Kline, trabajando con IBM, demostró una nueva técnica de medición * que utiliza rayos X de baja energía o "suaves" producidos por la fuente de luz avanzada en Lawrence Berkeley National Labs para sondear la estructura de la película BCP desde múltiples ángulos. Debido a que la película tiene un estructura repetida, el patrón de dispersión se puede interpretar, tanto como lo hacen los cristalógrafos, para revelar las formas promedio de las rayas en la película. Si una mala coincidencia entre los materiales hace que un juego de rayas se ensanche en la base, por ejemplo, se mostrará en el patrón de dispersión. Su principal innovación fue señalar que, aunque la técnica básica se desarrolló utilizando rayos X "duros" de longitud de onda corta que tienen dificultades para distinguir dos polímeros estrechamente relacionados, Se pueden obtener resultados mucho mejores utilizando rayos X de longitud de onda más larga que son más sensibles a las diferencias en la estructura molecular. **
Si bien la dispersión de rayos X puede medir las propiedades promedio de las películas, El grupo de Liddle, trabajando con MIT, desarrolló un método para mirar, en detalle, en secciones individuales de una película mediante tomografía tridimensional con un microscopio electrónico de transmisión (TEM). *** A diferencia de la técnica de dispersión, la tomografía TEM puede visualizar defectos en la estructura del polímero, pero solo en un área pequeña. La técnica puede obtener imágenes de un área de unos 500 nanómetros de ancho.
Entre ellos, las dos técnicas pueden producir datos detallados sobre el rendimiento de un sistema de creación de patrones BCP determinado. Los datos, los investigadores dicen, son más valiosos para probar y perfeccionar modelos de computadora. "Nuestras mediciones requieren bastante tiempo, por lo que no son algo que la industria pueda usar en un piso fabuloso, ", dice Kline." Pero a medida que desarrollan el proceso, pueden usar nuestras medidas para obtener los modelos correctos, luego pueden hacer muchas simulaciones y dejar que las computadoras lo resuelvan ".
"Es tan caro y lento probar un nuevo proceso, "coincide Liddle." Pero si mi modelo está bien validado y sé que me va a dar resultados precisos, entonces puedo pasar rápidamente a través de las simulaciones. Eso es un factor enorme en la industria de la electrónica ".
