Серебряные линзы делают свет для микросхем короче себя самого
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 применяли в полной мере земные разработки с целью достижения впечатляющей наноточности.
О новом перспективном методе производства интегральных микросхем информирует несколько разработчиков из Беркли (UC Berkeley). Отчёт об данной работе размещён в издании Nature Nanotechnology.
Разработка является альтернативой классической оптической печати, сейчас используемой подавляющим большинством производителей микроэлектроники, и пребывает в улучшении черт передачи света при помощи его сжатия.
Упрощённая модель печати интегральной микросхемы. Кремниевую подложку покрывают резистивным материалом, чувствительным лишь к ультрафиолетовому излучению. Следующим слоем накладывают так именуемую диффузионную маску.
При облучении области под маской остаются «транзисторными», формируя нужный рисунок. Позже всё это дело в пара этапов обрабатывают особыми химикалиями – и микросхема готова (иллюстрация Nature).
Зачём по большому счету нужна эта передача света? Из-за чего её нужно улучшать?
Оптическая литография в целом похожа на простое фотографирование: облучение светочувствительного материала формирует изображение, которое позже проявляется.
«Трудится достаточно хорошо, — поясняет один из авторов изобретения Лян Пань (Liang Pan). — Но разрешение ограничено основными особенностями света: для минимизации размеров наносимых элементов нужно уменьшать длину волны».
И вот тут именно появляются сложности – в виде дифракционных эффектов. Дело в том, что при укорачивании электромагнитным излучением делается тяжелее руководить.
Зависит дифракция от соотношения между размером неоднородностей и длиной волны среды (или неоднородностей структуры самого излучения). Иначе говоря чем меньше, тем выше риск непредвиденной изменении – вразрез с главной линией партии.
Дифракция может значительно изменить параметры волны (иллюстрация с сайта smeter.net).
На сегодня минимальный размер классического фокусирования образовывает 30-35 нанометров – причём достигнут он ценой немыслимых гигантских затрат и усилий. Новая же методика, по уверениям учёных, способна не только непринуждённо забрать текущий нанобарьер, но и существенно превзойти его.
При умеренных расходах на производство.
Разработка именуется плазмонной литографией (plasmonic lithography): она предусматривает гравировку схемы посредством особой головки – плазмонной линзы, – через которую пропускается «классический» ультрафиолетовый свет. Кремниевая подложка наряду с этим вращается, так что целый процесс напоминает проигрывание виниловой пластинки, где линза есть «иглой».
Но, аналоговые ассоциации на этом заканчиваются: плазмоника разрешает опуститься до миниатюрных масштабов – в масштабах промышленных. По крайней мере, так думают разработчики.
«Мы сможем снизить размер существующих процессоров на порядок, при выигрыше в мощности, — утверждает начальник изучения Сян Чжан (Xiang Zhang). – В случае если же внезапно кто захочет себе харды с ультравысокой плотностью записи, от 10 до 100 раз превышающей текущие показатели, то и это нам будет по силам».
Железная «игла» фокусирует свет, применяя возбуждённые электроны – плазмоны – на поверхности линзы (иллюстрация Liang Pan, Cheng Sun/UC Berkeley).
Инженеры из Беркли обошли дифракцию, применяя проводящие особенности металлов, на поверхности которых постоянно найдётся парочка свободных электронов, – они начинают колебаться при соударении с фотонами. Эти колебания известны как эванесцентные либо исчезающие волны (evanescent waves), и они как бы уменьшают свет до длины меньшей, чем она возможно у оптической волны.
Дабы 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 сильно, в случае если учесть, что современные «классические» рекорды находятся в диапазоне 30-80 нанометров.
Но тут стоит учесть, что это всего лишь пробный пуск. Американцы уверены – в будущем разработка разрешит повысить ставки до 5-10 нанометров.
В любом случае, перевоплотив линзу в «иглу», учёные взяли замечательный инструмент, талантливый воспроизвести на вращающейся кремниевой подложке с фоторезистом самую изощрённую топографию интегральной схемы.
Матрица 4 х 4 из плазмонных линз под электронным микроскопом (иллюстрация Xiang Zhang Lab, UC Berkeley).
В головку «проигрывателя» теоретически возможно упаковать до 100 тысяч линз, что разрешит делать «гравировочные» работы любой сложности и на высокой скорости.
Было нужно преодолеть и кое-какие трудности. Потому, что поверхностные колебания затухают на расстоянии до 100 нанометров, резистивное покрытие должно быть расположено весьма близко к линзе.
Что не так .
Ограничение удалось обойти посредством опоры на воздушной подушке (air bearing) – это разрешило поддерживать расстояние между двумя поверхностями около 20 нанометров.
«Это как если бы Boeing 747 должен был лететь на двухмиллиметровой высоте», — поясняет Сян Чжан. Напомним, что он весьма ревниво относится к соперничающим разработкам.
Согласно точки зрения доктора наук, они «напоминают улиток», а его разработка отыщет промышленное использование в течение трёх лет (максимум – пяти) и не ограничится плазмонными линзами.
Что ж, настрой у американца самый важный: сравнительно не так давно мы уже писали о первом плаще-невидимке в области видимого спектра, созданном в его лаборатории.
