17 feb. 1999
3 minuten
Het vervaardigen van componenten op nanoschaal – de transistoren in computerchips, de optica in communicatiechips, de mechanische systemen in biosensoren en in microfluïdica of chips met microspiegels – is nog grotendeels gebaseerd op fotolithografie. Maar de afmetingen van de structuren die met fotolithografie kunnen worden gemaakt, worden begrensd door de golflengte van het licht. Als nanocomponenten kleiner worden, zullen nieuwe productiemethoden nodig zijn.
In een aantal recente papers beschrijven onderzoekers van het elektronicaresearchlaboratorium van MIT en van A*Star (agency for science, technology and research) in Singapore een nieuwe techniek waarmee structuren van 10 nm – ofwel 30 atomen – kunnen worden gemaakt. Ze maken gebruik van bestaande methoden om smalle plastische pilaren aan te brengen op het chipoppervlak, Dan laten ze de pilaren omvallen in vooraf bepaalde richtingen, waardoor de chip bedekt wordt met complexe patronen.
Grappig detail is dat dit werk voortvloeide uit onderzoek om juist te voorkomen dat de pilaartjes zouden instorten. "Het omvallen van structuren is een van de belangrijkste problemen bij lithografie tot 10 nm", zegt onderzoeksleider professor Karl Berggren. "Die dingen zijn in de lengte niet bijzonder rigide. Het is makkelijker om een haar rechtop te laten staan." Berggren en zijn collega’s bogen zich over het probleem maar kwamen tot een tegendraadse conclusie: "Als we het niet kunnen oplossen, dan kunnen we er misschien nuttig gebruik van maken".
Status quo
Met fotolithografie worden chips in lagen opgebouwd. Nadat elke laag is aangebracht wordt hij bedekt met een lichtgevoelig materiaal en belicht via een masker. Door etsen worden dan de gewenste structuren verkregen. De afmetingen van die structuren zijn echter begrensd door de golflengte van het gebruikte licht. Een mogelijk alternatief is het gebruik van een nauw gefocusseerde elektronenbundel om de gevoelige laag te belichten. Maar een elektronenbundel kan in tegenstelling tot licht, de hele chip niet in één keer belichten – dat moet lijn voor lijn gebeuren. Daardoor is e-beam lithografie veel minder efficiënt dan fotolithografie.
Voor het etsen van een pilaar is daarentegen maar een elektronenbundel op een enkele plek nodig. Door verspreid op de chip enkele pilaren aan te brengen en ze te laten omvallen tot complexere patronen zou de efficiëncy van e-beam lithografie kunnen verhogen.
De gevoelige laag bij elektronenbundellithografie is zo dun dat, nadat de onbelichte delen zijn weggewassen, er voldoende vloeistof achterblijft om de pilaren onder te dompelen. Als de vloeistof verdampt vallen de pilaren om door de oppervlaktespanning van de vloeistof.
Valrichting onverwacht
In het eerste van de twee papers dat is is gepubliceerd in het tijdschrift Nano Letters, laten Berggren en Huigao Duan, een gaststudent van de Lanzhou University in China, zien dat twee pilaren die dicht bij elkaar staan naar elkaar toe vallen. In een vervolg-paper, in het september-nummer van het nanotech-tijdschrift Small, beschrijven Berggren, Duan (nu bij A*Star) and Joel Yang (die promoveerde bij Berggren en nu ook bij A*Star werkt) hoe ze de pilaren in elke gewenste richting kunnen laten vallen door het bepalen van de vorm van de afzonderlijke pilaren, Door het licht afvlakken van een zijde van de pilaar zal hij in de tegengestelde richting vallen. De onderzoekers hebben geen idee hoe dat komt. Berggren: "Toen we met het idee van asymmetrische pilaren kwamen, verwachtten we dat ze juist de kant van de vlakke zijde op zouden vallen". In experimenten bleek dat ze met een betrouwbaarheid van 98% juist in de tegengestelde richting vallen. "Dat is vanuit industrieel perspectief nog niet acceptabel", zegt Berggren, "maar het is zeker fijn als uitgangspunt voor een demonstratie".
De techniek heeft nog zijn beperkingen. Als de pilaren te dicht bij elkaar staan, vallen ze altijd naar elkaar toe, ongeacht hun vorm. Dat beperkt het aantal mogelijke patronen dat met deze techniek op chips met hoge integratiedichteid kan worden gemaakt. Maar volgens professor Joanna Aizenberg van Harvard University kunnen we ons nog geen voorstelling maken van de belangrijkste toepassingen van de techniek. "De weg ligt open naar het creëren van structuren die eerder onmogelijk waren", denkt Aizenberg. Toen zij met hun experimenten begonnen, wisten Berggren en zijn collega’s niet dat Aizenberg al jaren werkte aan het beheerst laten instorten van structuren op micrometerschaal, om materialen met nieuwe optische eigenschappen te produceren. "Maar op deze sub-100-nanometerschaal zouden heel interessante resultaten kunnen worden behaald", zegt ze. "De mate van beheersing van nanostructuren die Karl met zijn groep heeft bereikt is echt verbazingwekkend".
Anderen lazen ook
