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Schaltungen zeichnen mit Nano-Stiften
Die Nachfrage nach immer schnellerer und günstigerer Elektronik bringt die in der Halbleiterindustrie üblichen lithografiebasierten Fertigungstechniken an ihre Grenzen. Jetzt berichten Forscher über eine billige, schnelle Lithographietechnik, die Anordnungen von flexiblen Polymer-Nanostiften verwendet, um Millionen von komplexen Strukturen parallel präzise zu strukturieren. Die Technik, mit der die Forscher einen integrierten Schaltkreis (und Liliputaner-Versionen des Olympia-Logos) erstellt haben, kann verwendet werden, um Linien mit einer Dicke von wenigen Nanometern bis zu Millimetern herzustellen.
Olympischer Nanostift: Diese 15.000 goldenen Repliken des Olympia-Logos (oben) wurden mit einer neuen Lithografietechnik erstellt, die auf großen Arrays von Polymer-Nanostiften basiert, die parallel schreiben. Das untere Bild zeigt die Logos in Nahaufnahme, und der Einschub vergrößert das e in Peking weiter, was zeigt, dass sein unterer Strich nur 90 Nanometer breit ist. Das Logo des laufenden Mannes ist 36 Mikrometer hoch. Diese Bilder, die mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen wurden, demonstrieren die Bandbreite der Strukturgrößen, die mit der Technik hergestellt werden können.
Die Technik, entwickelt von Tschad Mirkin , Chemiker an der Northwestern University und Direktor des International Institute for Nanotechnology, verwendet Anordnungen von pyramidenförmigen Polymerstiften, deren Spitzen in Chemikalienlösungen getaucht werden, die fast jedes Molekül enthalten können, einschließlich Proteine und Säuren; Die Stifte werden dann von einem mechanischen Arm über eine Oberfläche gezogen, um Millionen von Strukturen parallel zu erstellen. Die Breite der von jedem Stift gezeichneten Linien kann durch Variieren der auf die flexiblen Stiftspitzen ausgeübten Kraft sorgfältig gesteuert werden. Da die Stifte von Mirkin mit Computersoftware programmierte Designs nachzeichnen, können sie schnell zwischen komplizierten Designs wechseln, was die Erstellung komplexer Muster ermöglicht, deren Merkmale sehr nahe beieinander liegen.
Mirkin hat mit den Stiften Säure auf einem mit Gold beschichteten Siliziumwafer strukturiert; Dann ätzte er basierend auf dem Muster eine integrierte Goldschaltung. Die Lithographie mit Polymerstiften ist auch vielversprechend für die Strukturierung biologischer Moleküle. Tatsächlich, sagt Mirkin, könnte die Technik mit fast jeder molekularen Tinte funktionieren, einschließlich Proteinen zum Einfangen und Untersuchen von Zellen. Die Herstellung der Polymerstifte kostet weniger als einen Dollar.
Die Polymer-Stift-Lithografie ist eine Verbesserung gegenüber der Dip-Pen-Lithografie, einer Technik, die Mirkin seit 1999 entwickelt. Die Dip-Pen-Lithografie verwendet Arrays von scharfen, steifen freitragenden Sonden – die gleichen, die für die Rasterkraftmikroskopie verwendet werden. Mirkin hat eine Firma gegründet, NanoInk , um die Technologie zu kommerzialisieren. Er räumt jedoch ein, dass sein ultimativer Nutzen durch Probleme mit Durchsatz, Kosten und Komplexität eingeschränkt wurde. Die Größe seiner Molekularstriche ist auf einen relativ engen Bereich beschränkt, die Ausleger neigen zum Brechen und die Anzahl der parallel herstellbaren Strukturen ist begrenzt.
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Sehen Sie sich die Dip-Pen-Lithografie in Aktion an.
Wenn das funktioniert, sagt Grant Willson , einem Ingenieur an der University of Texas in Austin, wird den Prozess der Strukturierung von Strukturen mit Nanostiften beschleunigen. Die neue Version der Dip-Pen-Lithographie könnte die Technologie kommerziell viel praktischer machen. Aber Mirkins Technik wird in einem überfüllten Feld konkurrieren, bemerkt Willson. Forscher, die Schaltungen mit immer kleineren Features für immer schnellere Chips packen wollen, verfolgen viele verschiedene Ansätze zur Nanofabrikation. Einige entwickeln zum Beispiel optische Antennen, um Licht in sehr kleine Strahlen zu fokussieren, um die Fähigkeiten der Photolithographie zu erweitern. Andere haben sich Elektronen- oder Ionenstrahlen zugewandt oder verwenden Wärme Verformung zu Mustern.
Harald Fuchs , Direktor der Arbeitsgruppe Grenzflächenphysik an der Universität Münster in Deutschland, sagt, dass der große Vorteil von Mirkins Technik gegenüber anderen Nanofabrikationsverfahren Präzision und Flexibilität sind. Die Stifte könnten verwendet werden, um ein Muster in eine molekulare Tinte zu schreiben, in eine andere einzutauchen und dann eine weitere Schicht zu schreiben. Um noch komplexere Muster zu erstellen, könnte jede Stiftspitze in eine andere Tinte getaucht werden, sagt Fuchs.
Mirkin sagt, dass Northwestern mit Unternehmen, einschließlich seiner eigenen NanoInk, über die Kommerzialisierung der Polymerstift-Lithographie spricht. Die Technik, sagt er, werde die Dip-Pen-Technologie einer großen Zahl von Menschen zugänglich machen.