IBM долає рубіж в 7 нанометрів, використовуючи графен для розміщення наноматеріалів на підкладках

Функціональність пристроїв можна буде поміняти, просто міняючи наноматеріали і не впливаючи на процес

Квантові точки (червоні), вуглецеві нанотрубки (сірі) і нанолисти дисульфіду молібдену (сіро-білі) – відповідно, представники наноматеріалів класів 0D, 1D і 2D, які можна збирати у великих масштабах за допомогою методу розміщення, заснованого на графені з допоміжним електричним полем.

Чотири роки тому компанія IBM оголосила, що за наступні п’ять років вона збирається інвестувати $3 млрд в майбутнє наноелектроніки в рамках великого проекту «7 нм і за їх межами» [7nm and Beyond]. Принаймні, один з великих виробників чіпів, GlobalFoundries уперся в стіну 7нм-процесу, а IBM прагне пройти далі, використовуючи графен для розміщення наноматеріалів в певних місцях без хімічного забруднення.

У дослідженні, опублікованому в журналі Nature Communications, описано, як вчені з IBM вперше наелектризували графен таким чином, що він допоміг розташувати наноматеріали з 97% точністю.

«Оскільки цей метод працює з широким розмаїттям наноматеріалів, ми уявляємо собі інтегровані пристрої з функціональністю, заснованої на унікальних фізичних властивостях наноматеріалу», — сказав Матіас Штайнер, менеджер бразильського відділення IBM Research. «Ми також можемо уявити собі детектори і випромінювачі світла на чіпі, що володіють певною довжиною хвилі, що визначається оптичними властивостями наноматеріалу».

В якості прикладу Штайнер пояснив, що якщо вам необхідно змінити спектральні властивості оптоелектронного пристрою, ви просто зможете замінити наноматеріал, залишивши весь виробничий процес без змін. Якщо продовжити розвиток цього методу ще далі, то можна буде збирати різні наноматеріали в різних місцях за кілька проходів складальної лінії, і створювати детектори світла, що працюють у різних частотних вікнах одночасно”.

Процес можна описати, як гібридний, об’єднує підходи «зверху вниз» [top-down] і «знизу вгору» [bottom-up], згідно Майклу Ингелю, члена дослідницької команди бразильського підрозділу. Пару років тому в IBM створили один з таких гібридних процесів, комбинировавших технології виробництва «зверху вниз» – такі, як літографія – з технологіями «знизу вгору», «вирощують» електроніку через збірку.

Ингель пояснив, що першим кроком гібридного процесу служить вирощування графена безпосередньо на субстраті, на якому відбувається складання наноматеріалу. У проведеній компанією демонстрації використовувався графен на карбіду кремнію. Ингель зазначив, що також можливо вирощувати графен і на інших матеріалах, наприклад, на міді, а потім відшаровуватися його і розміщувати на підкладці з кремнію або оксиду кремнію.

Наступний крок – травлення графена для визначення місць розташування. Це робиться на великому масштабі і можна вважати частиною процесу за технологією «зверху вниз».

На третьому кроці використовується технологія «знизу вгору», в якій дослідники поміщають шари графена в змінне електричне поле, водночас розміщуючи зверху розчин наноматеріалу. Наноматеріал просочується вниз і опиняється між протилежними графеновыми електродами.

«Так що графен визначає розташування і забезпечує орієнтування електричного поля і силу, затягує наноматеріал для його спрямованої збірки», — сказав Ингель.

На четвертому кроці графенові електроди вытравливаются, і виробляються додаткові виробничі операції по інтеграції електроніки або оптоелектронних пристроїв.

До цього самим передовим методом було використання металевих електродів, які складно видалити, і які обмежують ефективність пристрою і потенціал інтеграції. «Ми вважаємо, що найбільший прорив в цій роботі – це розташування „знизу вгору“ широкого спектру наноматеріалів з роздільною здатністю нанометрових масштабів на куди більш великих ділянках міліметрових розмірів, і з легко удаляемыми електродами, — сказав Штайнер. – Графенові електроди забезпечують прекрасне вирівнювання і щільність наноматеріалу, обмежують взаємодію з хімікатами, і дозволяють уникнути металевих ліній, що в результаті призводить до чудової ефективності пристрою».

Цей процес не зможе швидко допомогти виконання закону Мура. Одна з найбільших проблем, згідно Ингелю – це використання розчинів наноматеріалів на виробництві промислових масштабів. «Це вимагатиме прогресу в питанні стандартизації розчинів наноматеріалів для досягнення повторюваних і постійних результатів, а також адаптації методу з допоміжним електричним полем до використання в процесах виготовлення підкладок», — сказав Ингель.

І хоча питання стандартизації наноматеріалів компанія IBM не вирішить, дослідники продовжують працювати над технологією, інтегруючи різні наноматеріали, щоб модифікувати у відповідності з різними вимогами такі інтегровані мікросхеми, як, наприклад, електричні інвертори або кільцеві генератори. Також дослідники розробляють світлові випромінювачі і детектори на чіпі, спектральні властивості яких визначаються використовувалися наноматеріалом.