Une technique de fabrication qui pourrait aider l'industrie des semi-conducteurs à fabriquer des puces informatiques plus puissantes a commencé dans les endroits les plus humbles, à une table du Argonne National Laboratory du département américain de l'Énergie (DOE).

La méthode de synthèse de matériaux dite synthèse par infiltration séquentielle, ou SIS, a le potentiel d'améliorer non seulement la fabrication de puces, mais aussi des choses comme le stockage sur disque dur, efficacité des cellules solaires, surfaces antireflet sur les optiques et pare-brise de voiture hydrofuges. Inventé en 2010 lors d'une conversation à l'heure du déjeuner entre les scientifiques d'Argonne Seth Darling et Jeffrey Elam et deux de leurs chercheurs postdoctoraux, l'utilisation de la méthode s'est développée ces dernières années.

La méthode était basée sur la discussion du groupe sur le dépôt de couche atomique, ou ALD, une technique de dépôt de couche mince qui utilise des vapeurs chimiques alternées pour faire croître des matériaux une couche atomique à la fois. Chéri, directeur de l'Institut d'Ingénierie Moléculaire d'Argonne et du Centre de Recherche sur les Matériaux Avancés pour les Systèmes Énergie-Eau Energy Frontier, a récemment utilisé cette technique pour ajouter un revêtement d'oxyde métallique qui aime l'eau aux filtres utilisés dans l'industrie pétrolière et gazière, ce qui empêche les filtres de se boucher.

Mais pendant que le groupe parlait, ils ont commencé à spéculer sur le fait d'amener l'ALD à un nouveau niveau, dit Chéri.

"Nous l'avons dit, "Ne serait-ce pas bien si nous pouvions faire pousser un matériau à l'intérieur d'un autre matériau comme un polymère (une chaîne de nombreuses molécules combinées) au lieu de le recouvrir?" », a déclaré Darling. travail, ' mais, étonnamment, cela a fonctionné à merveille du premier coup. Ensuite, nous avons commencé à imaginer toutes les différentes applications pour lesquelles il pourrait être utilisé."

La recherche a été financée par le DOE Office of Science, Programme des sciences de l'énergie de base ainsi que le Centre de recherche sur l'énergie solaire Argonne-Northwestern, un centre de recherche Energy Frontier Research Center financé par le DOE Office of Science.

SIS est similaire à ALD sur une surface polymère, mais dans le SIS, la vapeur est diffusée dans le polymère plutôt que sur celui-ci, où il se lie chimiquement au polymère et finit par se développer pour créer des structures inorganiques dans toute la masse du polymère.

En utilisant cette technique, les scientifiques peuvent créer des revêtements robustes qui peuvent aider l'industrie de fabrication de semi-conducteurs à graver des caractéristiques plus complexes sur des puces informatiques, leur permettant de devenir encore plus petits ou d'ajouter du stockage supplémentaire et d'autres capacités. Ils peuvent également adapter la forme de divers métaux, oxydes et autres matériaux inorganiques en les appliquant sur un polymère avec SIS puis en éliminant les restes du polymère.

"Vous pouvez prendre un motif dans un polymère, l'exposer aux vapeurs et le transformer d'un matériau organique en un matériau inorganique, " dit Elam, directeur du programme de recherche ALD d'Argonne, se référant à la façon dont la méthode peut utiliser des polymères et une vapeur pour mouler essentiellement un nouveau matériau avec des propriétés spécifiques. "C'est une façon d'utiliser un motif polymère, et convertissez ce motif en pratiquement n'importe quel matériau inorganique."

Le potentiel de la technologie s'étend au-delà des semi-conducteurs. Il pourrait être utilisé pour faire progresser les produits dans différentes industries, et Argonne seraient ravis de travailler avec des partenaires de commercialisation qui peuvent prendre l'invention et l'incorporer dans des produits existants ou inventer de nouvelles applications au profit de l'économie américaine, dit Hemant Bhimnathwala, chargé de développement commercial chez Argonne.

"Vous pouvez utiliser SIS pour créer un film, vous pouvez le mettre sur un métal, vous pouvez le créer sur du verre ou le mettre sur un pare-brise en verre pour le rendre hydrofuge au point où vous n'avez pas besoin d'essuie-glaces, " dit Bhimnathwala.

La façon dont les scientifiques ont inventé la technique – à travers ce déjeuner-causerie – était également un peu inhabituelle. Les nouvelles découvertes surviennent souvent par accident, mais pas généralement en crachant des idées pendant le déjeuner, dit Elam.

"Parfois, si vous regardez attentivement, vous pouvez y voir autre chose et découvrir quelque chose de nouveau et d'inattendu, " dit Elam. " Cela n'arrive pas très souvent, mais quand c'est le cas, c'est bien."

La technique répond également à un problème spécifique dans l'industrie de fabrication de semi-conducteurs, effondrement du modèle, ce qui signifie l'effondrement de minuscules fonctionnalités utilisées pour créer des composants électriques sur une puce informatique, le rendant inutile.

Lorsqu'un motif est gravé sur une puce de silicium dans le processus de fabrication de puces, une surface résistante à la gravure est utilisée comme revêtement protecteur pour masquer les régions que vous ne souhaitez pas supprimer. Mais les revêtements résistants à l'attaque couramment utilisés aujourd'hui s'usent très rapidement, qui a empêché les fabricants de puces de fabriquer des composants avec des caractéristiques profondément gravées, Chéri dit.

Avec SIS, les revêtements en phase vapeur inorganique peuvent être conçus pour offrir une meilleure protection des éléments verticaux, permettant des gravures plus profondes et l'intégration de plus de composants sur chaque puce.

"Les fonctionnalités sur les puces sont devenues extrêmement petites latéralement, mais parfois vous voulez aussi les rendre grands, " Chéri dit. " Vous ne pouvez pas faire un grand trait si votre résistance s'efface rapidement, mais avec SIS, c'est facile."

De la même manière, la technique peut être utilisée pour manipuler l'enregistrement magnétique sur des disques durs ou d'autres périphériques de stockage, leur permettant d'augmenter le stockage tout en devenant plus petits, Chéri dit.

Une autre possibilité pour la technologie est de contrôler la quantité de lumière qui rebondit sur une surface en verre ou en plastique. En utilisant le SIS, les scientifiques peuvent concevoir des surfaces pour qu'elles soient presque entièrement non réfléchissantes. En utilisant cette stratégie, les scientifiques peuvent améliorer les performances des cellules solaires, Des LED et même des lunettes.

"Il y a aussi beaucoup d'applications en électronique, " Elam a dit. " Vous pouvez l'utiliser pour compresser plus de mémoire dans un espace plus petit, or to build faster microprocessors. SIS lithography is a promising strategy to maintain the technological progression and scaling of Moore's Law."

The team's research on the technology has been published in the Journal of Materials Chemistry , les Journal de chimie physique , Matériaux avancés et le Journal of Vacuum Science &Technology B .

Argonne is looking for commercial partners interested in licensing and developing the technology for more specific uses. Companies interested in leveraging Argonne's expertise in SIS should contact [email protected] to learn more and discuss possible collaborations.