Des simulations informatiques de deux morphologies possibles d'un film de copolymère séquencé démontrent la nécessité d'un outil d'imagerie 3D précis. Les zones rouges et bleues représentent les deux phases différentes du film polymère, vu de côté. Chaque phase a une largeur d'environ 12 nm. Vu d'en haut, les deux semblent avoir des rangées régulièrement séparées de la phase "rouge", l'échantillon du bas a en fait une bande horizontale indésirable qui perturbera le transfert de motif. Les données de diffusion des rayons X mous peuvent distinguer les deux. Crédit :Pitera/Centre de recherche IBM Almaden
Il y a quelques années, l'idée d'un processus de fabrication pratique basé sur l'organisation des molécules dans des formes utiles à l'échelle nanométrique semblait ... eh bien, frais, Bien sur, mais aussi un peu fantastique. Maintenant, le jour n'est pas loin où votre téléphone portable peut en dépendre. Deux articles récents mettent l'accent sur ce point en démontrant des approches complémentaires pour affiner l'étape clé :déposer des films minces d'un polymère de conception unique sur un gabarit afin qu'il s'auto-assemble en une précis, même des rangées de composition alternée d'à peine 10 nanomètres de large.
Les travaux des chercheurs du National Institute of Standards and Technology, le Massachusetts Institute of Technology, et le centre de recherche IBM Almaden se concentre sur les copolymères séquencés, une classe spéciale de polymères qui, dans les conditions appropriées, se séparera à l'échelle microscopique en "domaines" régulièrement espacés de composition chimique différente. Les deux groupes ont démontré des façons d'observer et de mesurer la forme et les dimensions des rangées de polymères en trois dimensions. Les techniques expérimentales peuvent s'avérer essentielles pour vérifier et ajuster les modèles informatiques utilisés pour guider le développement du processus de fabrication.
C'est une vieille nouvelle que l'industrie des semi-conducteurs commence à se heurter aux limites physiques de la tendance depuis des décennies des puces intégrées de plus en plus denses avec des tailles de fonctionnalités de plus en plus petites, mais il n'a pas encore atteint le fond. Tout recemment, Intel Corp. a annoncé qu'elle avait en production une nouvelle génération de puces avec une taille minimale de 14 nanomètres. C'est un peu plus de cinq fois la largeur de l'ADN humain.
A ces dimensions, le problème est de créer les multiples couches de masquage, sorte de petits pochoirs, nécessaires pour définir les motifs microscopiques sur la plaquette de production. Les techniques de lithographie optique utilisées pour créer les masques dans un processus semblable à la photographie humide à l'ancienne ne sont tout simplement pas capables de reproduire de manière fiable les très petits, motifs extrêmement denses. Il existe des astuces que vous pouvez utiliser telles que la création de plusieurs, masques superposés, mais ils sont très chers.
La tomographie au microscope électronique à transmission (MET) fournit une échelle nanométrique, Visualisation 3-D de la structure d'un copolymère séquencé modélisé. Les éléments violets sont des tenons de silice fabriqués par lithographie par faisceau d'électrons qui dirigent l'auto-assemblage du copolymère. Le matériau s'auto-assemble pour former deux couches orthogonales de cylindres (vert). Crédit :Winterstein/NIST
D'où les polymères. "Le problème de la lithographie des semi-conducteurs n'est pas vraiment de créer de petites caractéristiques - vous pouvez le faire - mais vous ne pouvez pas les emballer les uns contre les autres, " explique Alexander Liddle, scientifique des matériaux du NIST. " Les copolymères en blocs tirent parti du fait que si je fais de petites caractéristiques relativement éloignées, Je peux mettre le copolymère séquencé sur ces motifs de guidage et en quelque sorte remplir les petits détails. » La stratégie s'appelle « multiplication de densité » et la technique, « auto-assemblage dirigé ».
Les copolymères séquencés (BCP) sont une classe de matériaux fabriqués en connectant deux ou plusieurs polymères différents qui, pendant qu'ils se recuisent, formera prévisible, répéter des formes et des motifs. Avec le bon gabarit lithographié, les BCP en question formeront un film mince dans un motif étroit, bandes alternées des deux compositions polymères. Alternativement, ils peuvent être conçus de manière à ce qu'un polymère forme un motif de poteaux noyés dans l'autre. Retirez un polymère, et en théorie, vous avez un motif presque parfait pour que des lignes espacées de 10 à 20 nanomètres deviennent, peut-être, partie d'un réseau de transistors.
Si ça marche. « Le plus gros problème pour l'industrie est que le motif doit être parfait. Il ne peut pas y avoir de défauts, " explique Joseph Kline, scientifique en matériaux du NIST. " Dans nos deux projets, nous essayons de mesurer la structure complète du motif. Normalement, c'est seulement facile de voir la surface supérieure, et ce qui inquiète l'industrie, c'est qu'ils créent un modèle, et ça a l'air bien sur le dessus, mais à l'intérieur du film, ce n'est pas le cas."
le groupe de Kline, travailler avec IBM, a démontré une nouvelle technique de mesure* qui utilise des rayons X à faible énergie ou « mous » produits par la source lumineuse avancée des laboratoires nationaux Lawrence Berkeley pour sonder la structure du film BCP sous plusieurs angles. Parce que le film a une régularité, structure répétitive, le motif de diffusion peut être interprété, comme le font les cristallographes, pour révéler les formes moyennes des rayures dans le film. Si une mauvaise correspondance entre les matériaux provoque l'élargissement d'un jeu de rayures à la base, par exemple, il apparaîtra dans le motif de diffusion. Leur innovation majeure a été de noter que bien que la technique de base ait été développée en utilisant des rayons X "durs" de courte longueur d'onde qui ont du mal à distinguer deux polymères étroitement liés, des résultats bien meilleurs peuvent être obtenus en utilisant des rayons X de longueur d'onde plus longue qui sont plus sensibles aux différences dans la structure moléculaire.**
Alors que la diffusion des rayons X peut mesurer les propriétés moyennes des films, Le groupe de Liddle, travailler avec le MIT, développé une méthode pour regarder, en détail, à des sections individuelles d'un film en effectuant une tomographie tridimensionnelle avec un microscope électronique à transmission (MET).*** Contrairement à la technique de diffusion, la tomographie TEM peut en fait imager des défauts dans la structure du polymère, mais seulement pour une petite zone. La technique peut imager une zone d'environ 500 nanomètres de diamètre.
Entre eux, les deux techniques peuvent fournir des données détaillées sur les performances d'un système de structuration BCP donné. Les données, disent les chercheurs, sont les plus utiles pour tester et affiner les modèles informatiques. "Nos mesures sont à la fois assez chronophages, donc ils ne sont pas quelque chose que l'industrie peut utiliser dans l'usine, " dit Kline. " Mais pendant qu'ils développent le processus, ils peuvent utiliser nos mesures pour obtenir les bons modèles, alors ils peuvent faire beaucoup de simulations et laisser les ordinateurs le découvrir."
"C'est tellement coûteux et chronophage de tester un nouveau processus, " acquiesce Liddle. " Mais si mon modèle est bien validé et que je sais que le modèle va me donner des résultats précis, alors je peux lancer rapidement les simulations. C'est un facteur énorme dans l'industrie électronique."
