美国发现可促进硅芯片刻蚀的新技术

用阿贡的顺序渗透合成法处理过的硅晶片，尺寸从4英寸到12英寸。来源：阿贡国家实验室

美国能源部（DOE）阿贡国家实验室发现了一种新技术，能够帮助半导体工业制造更强大的计算机芯片，这项技术开始于最简陋的地方，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的午餐桌上。

这项合成技术被称为顺序渗透或SIS，不仅具有改进芯片制造的潜力，而且还具有诸如硬盘驱动器存储、太阳能电池效率、光学元件上的抗反射表面以及汽车挡风玻璃防水的潜力。阿贡科学家Seth Darling和Jeffrey Elam以及他们的两位博士后研究人员在2010年午餐时,交谈时发明了这个技术，这种方法的使用近年来有所增加。

这种方法基于该小组关于原子层沉积（ALD）的研究，ALD是一种薄膜沉积技术，它使用交替的化学气相一次生长一个原子层的材料。Darling，阿贡分子工程研究所和能源-水系统高级材料前沿研究中心主任，最近使用这种技术向石油和天然气工业的过滤器添加了亲水的金属氧化物涂层，防止过滤器堵塞。

但当小组讨论时，他们想要把ALD提升到一个新的水平，Darling说。

“如果我们能将一种材料生长在另一种材料中，比如聚合物里面（一串许多结合的分子），而不是上面。” Darling说。我们首先想到的是“这是行不通的”，但令人惊讶的是，我们在第一次尝试时效果很好。然后我们开始想象不同的应用领域。

这项研究由美国能源部科学办公室、基础能源科学计划以及阿贡-西北太阳能研究中心，美国能源部科学办公室资助的能源前沿研究中心资助。

SIS类似于聚合物表面上的ALD，但是在SIS中，蒸汽扩散到聚合物中而不是聚合物的顶部，在那里，气体与聚合物化学结合，并最终在整个聚合物本体中生长创建出无机结构。

利用这种技术，科学家可以创造出坚固的涂层，帮助半导体制造业蚀刻计算机芯片上更复杂的特征，使芯片变得更小或增加额外的存储。它们还可以通过将各种金属、氧化物和其他无机材料施加到具有SIS的聚合物上，然后去除聚合物残留物来调整它们的形状。

Argonne ALD项目研究主任Elam说： “你可以在聚合物中形成图案，使其暴露于蒸汽中，并将它们从有机材料转变为无机材料。”这是一种使用聚合物图案，并将这种图案转变成几乎任何无机材料的方法。

这种新技术的范围不仅仅是半导体。阿贡将乐于与商业化合作伙伴合作，它可以在不同的行业推广产品，这些合作伙伴可以采用这个发明并将其纳入现有产品，或者发明新的应用以造福于美国经济，阿贡业务发展主管Hemant Bhimnathwala说。

Bhimnathwala说：“你也可以使用SIS来制作薄膜，可以把它喷涂在金属上，也可以在玻璃上制作，也可以把它放置在挡风玻璃上，这样就可以形成疏水表面。”

科学家通过午餐会议发明这项技术也有点不寻常。Elam说，新发现往往是偶然发生的，但通常不是午餐时的想法。

Elam说：“有时候，如果专心观察，你可以看到别的东西，并发现一些新的、意想不到的东西。”这不是经常发生的，但当这种情况发生时，往往是伟大的。”

这项技术还解决了半导体制造业中的一个特别关键的问题，即模式崩溃，这意味着在计算机芯片上产生用于制造电子元件的微小特征崩溃，使芯片毫无用处。

在芯片制造过程中，需要在上面蚀刻图案，抗蚀刻表面用作保护涂层，可以掩盖那些不想去除的区域。但Darling说，目前常用的耐蚀刻涂层磨损很快，这阻碍了芯片制造商制造深蚀刻特征的部件。

利用SIS，可以设计无机蒸汽涂层对垂直特征提供更大的保护，这就允许了更深的蚀刻和集成更多的组件。

Darling说：“芯片上的横向特征变得非常小，但有时你也想让它们变高。”如果你的抗蚀剂很快被腐蚀掉，就无法制造出一个更高的特征，但是用SIS就会很容易。

类似地，这项技术可以用来操纵硬盘或其他存储设备上的磁记录，使它们能够增加存储，同时尺寸也变得更小，Darling说。

这项技术的另一个可能的用途是控制玻璃或塑料表面的光反射。使用SIS，科学家可以将表面设计的几乎不反射。利用这一策略，科学家可以提高太阳能电池、LED甚至是眼镜的性能。

“电子领域也有很多应用，”Elam说。光刻是一种很有前途的方法，你可以用它在更小的空间中压缩更多的内存，或者构建更快的微处理器。

阿贡正在寻找对这种方法有兴趣的商业合作伙伴，并不断开发其它更加具体的技术。