奈米制造的重大挑战:底部仍有足够的空间

介绍

理查德·费曼1960讲座“底部有足够的空间”变得有些比喻的纳米技术。然而,是不可能忽视费曼有先见之明的工作我们可以称之为“假设的应用物理学”当考虑当前的挑战在奈米制造的持续发展。费曼的讲座开始的建议所有24卷百科全书又何妨可以被写在一根大头针的针头。他指出,即使当时(1960年),针头上的技术要求读课文已经存在。他进一步指出,很容易复制的一些实现这针尖大小的百科全书,使用我们现在认识到作为软光刻或nanoimprint光刻技术的一种形式。

甚至比60年前,费曼看见真正的挑战encyclopedia-on-a-pinhead写作步骤。他甚至草拟了概念为电子束光刻技术,我们今天认识(EBL) (陈,2015)和聚焦离子束(FIB) (Baglin 2012)光刻。6年后,我们在奈米制造取得了巨大的进展,这一般被认为是包括写作和复制在大面积纳米结构。然而,许多挑战仍然存在在纳米制造技术的发展,无论是实验室研究或consumer-scale应用程序。这里我们提出我们的集体观点在奈米制造的一些重大挑战,我们将它定义为创建任意结构的特征尺寸100纳米或更少。

实验室规模大挑战

我们首先考虑纳米加工实验室规模,我们将定义操作1毫米的涉及领域的模式²或者更多。如此规模的少量纳米加工是至关重要的一个广泛的实验平台,以及原型设计和测试设备和技术。

当前主力自上而下的实验室规模的技术应用与分辨率为100 nm或更好的是那些由理查德·费曼想象,即。、电子提单和FIB光刻。这些方法非常发达,使用相对常规,和商业工具,可以模式特征尺寸的5海里。另一方面,这些方法是连续的,因此较低的吞吐量。电子提单和FIB并不便宜,材料的局限性。电子提单和FIB函数可用于创建主结构的复制技术,如软光刻技术(1998年夏,怀特赛兹教授;夏,怀特赛兹教授1998 b)或nanoimprint光刻技术(郭,2007)。以这种方式使副本介绍了自己的一套材料的局限性。也有一些非传统的技术,如多路复用蘸水笔纳米,可以与电子和FIB一些材料在某些应用程序中。

光学光刻技术,而奈米制造工业的中流砥柱,尚未起到了很大的作用。在实验室奈米制造的特征尺寸100纳米或更少。193海里浸没式光刻技术(桑德斯,2010)可以很容易地创建功能在这个尺寸范围大的地区,但是面具套太贵了对于这个技术通常使用在大多数实验室设置。非传统技术,如多光子吸收聚合(图)(Baldacchini 2019在这方面),持有一些承诺。虽然地图特征尺寸已报告100纳米或更少的一些学术实验室(Liaros成员和Fourkas, 2019年),可用的商业工具地图还不能够实现这一功能的大小在日常的基础上。即使商业工具达到这个极限,地图仍是一个串行技术,所以是缓慢的。

的一个重大挑战,我们设想实验室纳米加工中,然后,是桌面光学发展的工具,它可以执行并行模式高吞吐量和可以提供特征尺寸在几十纳米。材料光刻的进步开始使用多个颜色的光线方向这样的工具。

奈米制造的另一个发展中地区是一个广泛的方法,提供选择纳米材料所需的位置,通常在指定的方向(李et al ., 2019)。这样的纳米加工技术在液体持有相当大的承诺。重大挑战在这个舞台上包括提高位置精度和高度并行制造。

自顶向下方法的最后一个大的挑战是有一个不可避免的patternable面积和特征尺寸之间的权衡。对于几乎任何nanopatterning技术,搬到一个更小的特征尺寸导致更长的制作时间。方法可以绕过这个平衡的发展将是一个重大进步。

自底向上的方法为实验室纳米加工中提供许多潜在的优势。高度常规模式(例如,格子或条纹),技术基于材料如胶体和嵌段共聚物的自组装。设计模式,个人DNA纳米结构可以由任意形状的模式,与ca。10纳米的分辨率和1μm大小(王et al ., 2018)。自组装策略潜在的模式提供一个广泛的材料与当地极高的空间分辨率。

同时,有许多重大挑战与自底向上的策略。所需的结构在特定位置的制造一个大区域,这是一个多步骤的关键要求制造,仍然是一个很大程度上未解决的问题。大多数策略需要某种形式的外部输入,如指导结构的嵌段共聚物的自组装,模板自组装过程。许多自底向上的方法也受到相对较高的缺陷,不容易纠正。因此,提高收益率的自组装结构也是一个大挑战。

有许多重大挑战,存在于几乎所有的实验室规模纳米加工方法。这些挑战包括开发技术来充分利用第三空间维度(Seniutinas et al ., 2017),将多个材料集成到模式,整合多个模式策略,伴随着所有的挑战与注册表和缝合在大面积模式。

工业规模的挑战

奈米制造工业规模通常需要的能力模式在大面积高吞吐量和收益率。目前存在一些方法来实现这一目标。一些消费品nanopatterned表面是由nanoimprint光刻和/或精密卷绕对位处理(Kooy et al ., 2014)。的主力技术领域,然而,光刻。尽管摩尔定律的日子已经过去(跟踪et al ., 2017),半导体行业继续照相平版印刷的技术来实现更精细的极限分辨率。引人注目,一个工具可以创建nanopatterns晶圆,直径300毫米的吞吐量超过100片/小时。

逻辑功能的增加和内存设备的能力,我们在稳步走向的量子时代设备,半导体行业的不断能够缩小特征尺寸的电路high-volume-manufacturing制造设施。需要传输的信息内容来推动这些技术是最好的交付通过大规模并行投影光刻。今天,在最小的特性和实现模式密度最高,极端的紫外线(EUV)光刻(2019年宫崎骏和日元)在13.5海里(92.5 eV)首次被用于生产处理器和记忆手机和最先进的图形处理单元。这些设备有sub-10-nm特性相隔不到30 nm。通过增加的数值孔径EUV投影系统,在未来5年内行业打算生产特性,只是相隔10纳米,这对应于一个16 nm。引入EUV投入大批量生产生产面临极端挑战在材料开发中,特征、计量、光刻和蚀刻加工。未来增加的数值孔径,EUV光刻将需要调整行业的成功。

一些大的EUV光刻的持续发展面临的挑战包括:使新设备设计和三维集成;开发新流程和设计作为一个单独的一部分,共生过程(设计技术共同改进);改善EUV资源来提供更高的辐照度较低的权力;提高光学设计,包括波前工程;面具和改善材料光阻,包括选择性原子层沉积和无法抗拒的过程;提高特征边缘布置精度;改进的图样转移技术的发展,包括等离子体蚀刻;改善材料沉积提高均匀性等特征;改善材料的表征和计量方法;开发新的计量表面和堆栈中功能; reducing stochastic failures from decreased signal-to-noise, inter- and intra-film competing reactions, and variations in substrates of reflective masks (De Bisschop 2018);理解和控制量子效应;并找到解决所有这些问题,将有助于降低成本(罗宾逊和劳森,2016年)。

一样强大EUV光刻承诺,面具集非常昂贵,它只可能是一个有用的技术,大量生产。因此,一个重要的大挑战是发展小到中批量技术可以获得同样的决议。这种工具的效用将是巨大的,因为有许多潜在的用途在高性能、特定于应用程序的集成电路。一个可能的解决方案将是适应工业规模的实验室技术,将自己的挑战,包括缝纫、产量、缺陷控制、吞吐量和计量。计量解决方案必须原位,否则放置技术的提高需要确保在同一地区的步骤可能采用完全不同的模式方法。有一个迫切需要自动图像识别系统的进一步发展,可能相关的图像数据库,识别和分类缺陷(Modarres et al ., 2017)。框架开发一个质量标准将缓解过渡的技术从实验室到铸造。标准命名法、计量和描述在实验室和工业纳米加工中也会协助翻译方法从前者到后者。

另一个大的挑战在奈米制造工业的持续发展更强大的建模工具,设计模式和设备性能。随着特征尺寸变得越来越细,这样的模型必须包含新的纳米物理学。这是人工智能在这一领域已经取得了很大的进步,但更多的进展是可能的。

其他挑战

有许多重大挑战,超越纳米加工技术的规模。其中一个挑战是发展可持续、绿色替代技术还不满足这一标准(金姆和Fthenakis, 2013年)。足迹越大的技术,更重要的是,它是尽可能干净。另一个挑战,特别是对于实验室技术中,是宏观世界和nanodevices之间的接口。这些接口可能涉及电子、光学、流体或其他技术。此外,几种模式技术集成在一个设备能力提高的可能性,有一个广泛的功能在一个nanopatterned衬底。尽管已经有关键的这种方法的例子,有相当大的进步空间。

结论

我们已经尽力来制定我们认为是目前奈米制造的重大挑战,我们兴奋地参与这个新论坛报告研究解决这些挑战和别人在这个领域。我们的目标是让这个部分雷竞技rebat纳米技术前沿一个总理,开放的工作场所地址奈米制造的基本问题。

作者的贡献

摩根富林明,詹、古银、HL、BM MN,摩根大通,y, AV, YZ构思和写这篇文章。

的利益冲突

作者AV是受雇于公司解放军的公司。

其余作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

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