La tecnica microscopica 3D migliora lo sviluppo di dispositivi in nanoscala
I ricercatori IBM hanno creato una mappa 3D della terra così piccola che mille di queste mappe potrebbero essere inserite in un grano di sale. I ricercatori sono riusciti a realizzarla attraverso una tecnica innovativa che utilizza una punta in silicio – 100.000 volte più piccola di una matita dalla punta affilata – per creare modelli e strutture inferiori ai 15 nanometri con costi e complessità estremamente ridotti.
Questa tecnica di “patterning” apre nuovi orizzonti allo sviluppo di dimensioni nanometriche in settori quali l’elettronica, la tecnologia dei chip del futuro, la medicina, le scienze naturali e l’optoelettronica.
Per dimostrare le potenzialità della tecnica, il team ha creato vari modelli tridimensionali e bidimensionali utilizzando materiali diversi per ciascuno di essi come riportato nelle riviste scientifiche “Science” e “Advanced Materials:
• È stata creata una copia tridimensionale alta 25 nanometri del Cervino, famosa vetta delle Alpi alta 4478 metri (14692 piedi) in vetro molecolare in scala 1:5 miliardi.
• La mappa 3D completa del mondo che misura solo 22 per 11 micrometri è stata “scritta” su un polimero. Con queste dimensioni, è possibile inserire 1000 mappe del mondo in un grano di sale. Nel plastico, mille metri di altitudine corrispondono a circa otto nanometri (nm). La mappa è composta da 500.000 pixel, ciascuno delle dimensioni di 20 nm2, ed è stata creata in soli 2 minuti e 23 secondi.
• Il logo IBM 2D di dimensioni nanometriche è stato inciso nel silicio a una profondità di 400 nanometri, dimostrando in questo modo la capacità della tecnica nelle applicazioni di nano-manufatti.
• Dense line patterning 15-nm 2D ad alta risoluzione.
La scienza dietro la tecnica
Il componente principale della nuova tecnica, sviluppato da un team di ricercatori IBM, è una punta di silicio sottile molto affilata di 500 nanometri di lunghezza e con una sommità di pochi nanometri.
“I progressi nella nanotecnologia sono strettamente collegati all’esistenza di metodi di alta qualità e di strumenti per produrre modelli e oggetti in nanoscala sulle superfici”, ha spiegato il Dr. Armin Knoll fisico del centro di Ricerca di Zurigo. “Con le sue funzionalità e una capacità di patterning 3D unica, questa metodologia di patterning basata sul nanotip è uno strumento potente per creare strutture molto piccole”.
Il tip simile a quello utilizzato nei microscopi a forza atomica è collegato a un “cantilever” pieghevole che effettua, in modo controllabile, la scansione della superficie del materiale del substrato con la precisione di un nanometro, un milionesimo di millimetro. Applicando calore e forza, il tip nanometrico è in grado di rimuovere il materiale substrato in base a pattern predefiniti, agendo come una “nanomilling” dalla precisione estremamente elevata.
Come avviene con una fresatrice, è possibile rimuovere una maggiore quantità di materiale per creare strutture 3D complesse con una precisione nanometrica modulando la forza o reindirizzando i singoli punti. Ad esempio, per creare la copia 3D del Cervino, sono stati successivamente rimossi 120 singoli strati di materiale dal substrato di vetro molecolare.
Confronto con la litografia e-beam
La nuova tecnica IBM raggiunge risoluzioni fino a 15 nanometri con la possibilità di arrivare anche a dimensioni inferiori. L’uso dei metodi esistenti quali la litografia e-beam diventa sempre più difficile per creare modelli con risoluzioni inferiori ai 30 nanometri nei quali vi sono troppe limitazioni tecniche.
Inoltre, rispetto ai costosi strumenti per la litografia e-beam, che richiedono diverse fasi di elaborazione e attrezzature facilmente presenti in un laboratorio, lo strumento creato dai ricercatori IBM, che può facilmente stare su un tavolo, promette capacità migliorate e risoluzioni molto alte, ma a un quinto o a un decimo del costo e con complessità inferiori.
Un altro vantaggio della tecnica basata sul nanotip è la capacità di valutare direttamente il modello usando lo stesso tip per creare un’immagine delle strutture scritte, come hanno dimostrato i ricercatori IBM nei loro esperimenti.
Le potenziali applicazioni vanno dalla prototipazione rapida di dispositivi nanometrici per i chip dei computer del futuro alla produzione di elementi ottici delle dimensioni di un micron come le lenti asferiche e le lenti per l’optoelettronica e le comunicazioni ottiche su chip.
Un importante passo avanti nei materiali
Nelle due pubblicazioni, i ricercatori descrivono la loro nuova metodologia di nanopatterning 3D per due tipi di materiali del substrato molto distinti e promettenti: un polimero definito poliftalaldeide e un vetro molecolare simile ai materiali di substrato utilizzati nelle tecniche di nanofabbricazione convenzionali, cosiddette resist. L’identificazione di questi due materiali ha rappresentato un fattore fondamentale per l’esito e l’affidabilità della tecnica.
L’immagine 3D mostra una punta di silicio riscaldata in nanoscala presa in prestito dal microscopio a forza atomica che rimuove il materiale da un substrato per creare una mappa 3D del mondo. Come riportato nella rivista scientifica “Advanced Materials”, i ricercatori IBM hanno utilizzato questa nuova tecnica di nanopatterning per creare la più piccola mappa del mondo in 3D, che misura solo 22 x 11 micrometri ed è stata “scritta” su un polimero, in un grano di sale entrano 1000 mappe del mondo di queste dimensioni.
Nel plastico, mille metri di altitudine corrispondono a circa otto nanometri (nm). È composta da 500.000 pixel, ciascuno dei quali misura 20 nm2 ed è stata creata in soli 2 minuti e 23 secondi. (Immagine per gentile concessione di Advanced Materials).
Nella loro ricerca di materiali per il substrato adatti ed efficienti, i ricercatori si sono concentrati sui materiali organici che potevano essere usati come “resist”, seguendo quindi la stessa filosofia utilizzata per la tecnologia dei semiconduttori attuale, importante per un’ulteriore integrazione.
“Il materiale rappresentava una scelta decisiva”, ha spiegato Jim Hedrick, ricercatore del centro di Ricerca IBM di Almaden. “Siamo stati costretti a cercare e a sintetizzare materiali che formano vetri meccanicamente temprati in grado comunque di decomporsi termicamente in unità volatili non reattive”.
Il vetro molecolare utilizzato per l’esperimento del Cervino comprende molecole simili a fiocchi di neve delle dimensioni di un nanometro circa aventi una forma quasi sferica. A una temperatura superiore ai 330°C, i legami di idrogeno che tengono insieme le molecole si rompono consentendo alle parti molecolari di diventare mobili e di fuoriuscire dalle superfici.
Una particolare forza del materiale è quella che il vetro molecolare del campione può essere trasferito con tecniche di incisione convenzionali ad esempio al silicio che è molto comune nel settore dei semiconduttori. Il vetro molecolare era stato proposto per la prima volta alla fine degli anni Novanta da Mitsuru Ueda dell’Università di Yamagata, Giappone, per l’utilizzo come fotoresist ad alta risoluzione ed è stato in seguito sviluppato da Chris Ober della Cornell University.
La mappa del mondo 3D di dimensioni nanometriche è stata creata in un polimero definito poliftaldeide, originariamente sviluppato dall’IBM Fellow Hiroshi Ito negli anni Ottanta. Esposti a temperature sostanzialmente elevate, i componenti di questa molecola organica a catena si decomprimono e si suddividono in parti volatili. Una reazione autoamplificata provoca la decomposizione della molecola e quindi accelera l’intero processo di patterning dato che è ancora più veloce del movimento meccanico del tip.
IBM e la nanotecnologia
IBM è stata la prima nel settore delle nanoscienze e della nanotecnologia fin dalla creazione del microscopio a scansione a effetto tunnel (STM) che risale al 1981. Per questa invenzione, che ha consentito di rappresentare i singoli atomi e in seguito di manipolarli, i ricercatori Binnig e a Rohrer della IBM hanno vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 1986.
Il microscopio a forza atomica, un discendente dell’STM, è stato inventato da Binnig nel 1986. L’STM è considerato lo strumento che ha aperto le porte al nanomondo.
Nel mese di aprile di 20 anni fa, infatti, l’IBM Fellow Don Eigler ha annunciato il primo movimento controllato dei singoli atomi utilizzato nel microscopio a scansione a effetto tunnel per scandire le lettere “I B M” con 35 atomi di xeno.
Questi progressi storici hanno creato una solida base per la ricerca continua da parte di IBM nelle nanoscienze. Per contribuire a queste ricerche è in costruzione un nuovo laboratorio per le nanoscale presso il campus del centro di Ricerca di Zurigo.
Questo centro all’avanguardia nelle nanotecnologie, che aprirà a maggio 2011, fa parte di una partnership strategica nelle nanotecnologie tra IBM Research ed ETH Zurich, una delle università tecniche leader in Europa.
