Найден способ на порядок уменьшить размеры микросхем, увеличив их мощность

На модерации Отложенный До каких пор транзисторы будут ужиматься в размерах? Уже давно учёные задаются этим вопросом, подстёгиваемые постоянным ростом требований к производительности компьютеров. Трудолюбивые американцы китайского происхождения не погнались за квантовыми кубитами в небе, а использовали вполне земные технологии для достижения впечатляющей наноточности.

О новом перспективном способе производства интегральных микросхем сообщает группа разработчиков из Беркли (UC Berkeley). Отчёт об этой работе опубликован в журнале Nature Nanotechnology.

Технология представляет собой альтернативу традиционной оптической печати, ныне применяемой подавляющим большинством производителей микроэлектроники, и состоит в улучшении характеристик передачи света посредством его сжатия. 

Упрощённая модель печати интегральной микросхемы. Кремниевую подложку покрывают резистивным материалом, чувствительным только к ультрафиолетовому излучению. Следующим слоем накладывают так называемую диффузионную маску. При облучении области под маской остаются "транзисторными", формируя необходимый рисунок. Потом всё это дело в несколько этапов обрабатывают специальными химикалиями – и микросхема готова (иллюстрация Nature).

Зачём вообще нужна эта передача света? Почему её необходимо улучшать?

Оптическая литография в целом похожа на обычное фотографирование: облучение светочувствительного материала формирует изображение, которое потом проявляется. 

"Работает довольно неплохо, — поясняет один из авторов изобретения Лян Пань (Liang Pan). — Однако разрешение ограничено фундаментальными свойствами света: для минимизации размеров наносимых элементов необходимо сокращать длину волны".

И вот здесь как раз возникают сложности – в виде дифракционных эффектов. Дело в том, что при укорачивании электромагнитным излучением становится тяжелее управлять.

Зависит дифракция от соотношения между длиной волны и размером неоднородностей среды (либо неоднородностей структуры самого излучения). Другими словами, чем короче, тем выше риск непредвиденной трансформации – вразрез с генеральной линией партии.
  

Дифракция может существенно изменить параметры волны (иллюстрация с сайта smeter.net).

На сегодняшний день минимальный размер традиционной фокусировки составляет 30-35 нанометров – причём достигнут он ценой невероятных усилий и гигантских затрат. Новая же методика, по уверениям учёных, способна не только непринуждённо взять текущий нанобарьер, но и значительно превзойти его. При умеренных расходах на производство.

Технология называется плазмонной литографией (plasmonic lithography): она предусматривает гравировку схемы с помощью специальной головки – плазмонной линзы, – через которую пропускается "традиционный" ультрафиолетовый свет. Кремниевая подложка при этом вращается, так что весь процесс напоминает проигрывание виниловой пластинки, где линза является "иглой". 

Впрочем, аналоговые ассоциации на этом заканчиваются: плазмоника позволяет опуститься до миниатюрных масштабов – в масштабах промышленных. По крайней мере, так думают разработчики. 

"Мы сможем уменьшить размер существующих процессоров в 10 раз, при выигрыше в мощности, — утверждает руководитель исследования Сян Чжан (Xiang Zhang). – Если же вдруг кто захочет себе харды с ультравысокой плотностью записи, от 10 до 100 раз превышающей текущие показатели, то и это нам будет по силам".

Металлическая "игла" фокусирует свет, используя возбуждённые электроны – плазмоны – на поверхности линзы (иллюстрация Liang Pan, Cheng Sun/UC Berkeley).

Инженеры из Беркли обошли дифракцию, используя проводящие свойства металлов, на поверхности которых всегда найдётся парочка свободных электронов, – они начинают колебаться при соударении с фотонами. Эти колебания известны как эванесцентные или исчезающие волны (evanescent waves), и они как бы сокращают свет до длины меньшей, чем она может быть у оптической волны.

Чтобы реализовать "исчезающие" эффекты на практике, потребовались серебряные плазмонные линзы, уложенные концентрическими слоями, – они способны фокусировать свет до точки диаметром 100 нанометров. 

В итоге удалось нанести на подложку линейные паттерны шириной 80 нанометров при скорости сканирования 12 м/с. Казалось бы, не так круто, если учесть, что современные "традиционные" рекорды находятся в диапазоне 30-80 нанометров. Но тут стоит учесть, что это всего лишь пробный пуск. Американцы уверены – в будущем технология позволит поднять ставки до 5-10 нанометров.

В любом случае, превратив линзу в "иглу", учёные получили мощный инструмент, способный воспроизвести на вращающейся кремниевой подложке с фоторезистором самую изощрённую топографию интегральной схемы.



Матрица 4 х 4 из плазмонных линз под электронным микроскопом (Courtesy of Xiang Zhang Lab, UC Berkeley).

В головку "проигрывателя" теоретически можно упаковать до 100 тысяч линз, что позволит выполнять "гравировочные" работы любой сложности и на высокой скорости.

Пришлось преодолеть и кое-какие трудности. Поскольку поверхностные колебания затухают на расстоянии до 100 нанометров, фоторезисторное покрытие должно быть расположено очень близко к линзе. Что не так просто устроить.

Это ограничение удалось обойти с помощью опоры на воздушной подушке (air bearing) – это позволило поддерживать расстояние между двумя поверхностями около 20 нанометров. 

"Это как если бы Boeing 747 должен был лететь на двухмиллиметровой высоте", — поясняет Сян Чжан. Отметим, что он очень ревниво относится к конкурирующим технологиям. По мнению профессора, они "напоминают улиток", а его разработка найдёт промышленное применение в течение трёх лет (максимум – пяти) и не ограничится плазмонными линзами.

Что ж, настрой у американца самый серьёзный: недавно мы уже писали о первом плаще-невидимке в области видимого спектра, разработанном в его лаборатории.