Η παραγωγή μικροτσίπ είναι μια διαδικασία ακριβείας που κινείται στα όρια του αδύνατου. Κάθε στάδιο πρέπει να είναι σχεδόν τέλειο, γιατί ακόμα και ένα σωματίδιο μερικών νανομέτρων μπορεί να καταστρέψει ολόκληρες παρτίδες κυκλωμάτων αξίας εκατομμυρίων. Το πιο κρίσιμο στάδιο είναι η φωτολιθογραφία, εκεί όπου το φως «χαράζει» πάνω σε λεπτά στρώματα πυριτίου τις μικροσκοπικές δομές που σχηματίζουν τα ηλεκτρονικά κυκλώματα. Μέχρι σήμερα, οι ερευνητές γνώριζαν ότι η διαδικασία αυτή είναι εξαιρετικά ευαίσθητη, αλλά κανείς δεν είχε καταφέρει να δει τι ακριβώς συμβαίνει τη στιγμή που γεννιούνται τα ελαττώματα.
Αυτό αλλάζει τώρα χάρη σε μια ομάδα Κινέζων επιστημόνων, με επικεφαλής τον καθηγητή Peng Hailin στο Πεκίνο. Οι ερευνητές ανακοίνωσαν ότι βρήκαν έναν τρόπο να «παγώνουν» κυριολεκτικά τις χημικές διεργασίες κατά τη διάρκεια της φωτολιθογραφίας, χρησιμοποιώντας μια τεχνική κρυογονικής απεικόνισης που μειώνει τα ελαττώματα κατά 99%. Το επίτευγμά τους υπόσχεται να φέρει την κατασκευή μικροτσίπ ένα βήμα πιο κοντά στην απόλυτη ακρίβεια, κάτι που μέχρι τώρα έμοιαζε ανέφικτο.
Η τεχνική που χρησιμοποίησαν ονομάζεται κρυοηλεκτρονική τομογραφία (cryo-ET). Συνήθως εφαρμόζεται στη βιολογία, για την παρατήρηση πρωτεϊνών και κυττάρων σε μοριακό επίπεδο. Όμως η ομάδα του Peng αποφάσισε να τη μεταφέρει σε έναν εντελώς διαφορετικό χώρο: τη μικροηλεκτρονική. Με το cryo-ET, κατάφεραν να σταματήσουν χημικές αντιδράσεις τη στιγμή που συμβαίνουν, παγώνοντας το υπό κατασκευή τσιπ στους –175°C. Έτσι, μπόρεσαν να «δουν» σε τρεις διαστάσεις πώς ακριβώς συμπεριφέρονται τα υλικά τη στιγμή που σχηματίζονται τα ελαττώματα.
Η διαδικασία έχει κάτι το θεαματικό: αφού εξέθεσαν το wafer στο φως και το ανέπτυξαν χημικά, το πάγωσαν ακαριαία, σταματώντας κάθε αντίδραση. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας ηλεκτρονική τομογραφία, κατέγραψαν εκατοντάδες εικόνες από διαφορετικές γωνίες. Με αυτές, ανακατασκεύασαν σε τρισδιάστατο μοντέλο τη συμπεριφορά των φωτοανθεκτικών πολυμερών, των υλικών δηλαδή που αντιδρούν στο υπεριώδες φως για να σχηματίσουν τα μοτίβα του κυκλώματος.
Οι εικόνες που προέκυψαν ήταν αποκαλυπτικές. Για πρώτη φορά, οι επιστήμονες είδαν ότι τα μόρια του φωτοανθεκτικού δεν παραμένουν σε ομοιόμορφη διάταξη. Αντίθετα, τείνουν να μπλέκονται μεταξύ τους, σαν «πιάτο με σπαγγέτι», δημιουργώντας μικροσκοπικούς σβώλους διαμέτρου 30-40 νανομέτρων. Καθώς αυτοί οι σβώλοι διαλύονται μερικώς, ορισμένα μόρια επανασυνδέονται με την επιφάνεια του wafer, σχηματίζοντας μικρορωγμές, ανεπιθύμητες γέφυρες ή ασυνέχειες που καθιστούν το τσιπ άχρηστο.
Η ομάδα εντόπισε και κάτι ακόμα πιο ανησυχητικό: περίπου το 70% των μορίων δεν διαλύεται πλήρως. Παραμένουν «αιωρούμενα» μεταξύ υγρής και αέριας φάσης, και στη διάρκεια του τελικού ξεπλύματος, παρασύρονται και ξαναεναποτίθενται στην επιφάνεια του wafer. Με αυτόν τον τρόπο, δημιουργούνται νέοι μικροσκοπικοί κόμβοι και ατέλειες που έως τώρα δεν μπορούσαν να εντοπιστούν ή να προβλεφθούν.
Με βάση αυτές τις παρατηρήσεις, οι ερευνητές πρότειναν δύο παρεμβάσεις που αποδείχθηκαν εντυπωσιακά αποτελεσματικές. Πρώτον, μια μικρή αύξηση της θερμοκρασίας ψησίματος μετά την έκθεση, ώστε να μειωθεί η συσσωμάτωση των πολυμερών. Και δεύτερον, μια αλλαγή στη ροή του αναπτυξιακού υγρού, ώστε τα μερικώς διαλυμένα σωματίδια να απομακρύνονται πριν προλάβουν να ξανακολλήσουν στην επιφάνεια.
Τα αποτελέσματα των δοκιμών σε wafers διαμέτρου 30,5 εκατοστών ήταν θεαματικά: τα ελαττώματα μειώθηκαν κατά περισσότερο από 99%. Για μια βιομηχανία που μετρά την επιτυχία σε μόρια, αυτό ισοδυναμεί με επανάσταση. Αν η μέθοδος αποδειχθεί πρακτική σε βιομηχανική κλίμακα, θα μπορούσε να βελτιώσει δραματικά την απόδοση των γραμμών παραγωγής και να μειώσει τα κόστη.
Η σημασία της ανακάλυψης δεν περιορίζεται μόνο στην τεχνολογία των ημιαγωγών. Ανοίγει τον δρόμο για μια νέα εποχή στη νανοτεχνολογία, όπου η κρυο-απεικόνιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να «παγώνει» και να μελετά χημικές διεργασίες που μέχρι σήμερα συνέβαιναν πολύ γρήγορα για να παρατηρηθούν. Είναι μια απόδειξη ότι οι τεχνικές που αναπτύχθηκαν για τη βιολογία μπορούν να επαναπροσδιορίσουν και άλλους τομείς της επιστήμης, από τη φυσική των υλικών μέχρι τη βιομηχανική παραγωγή.
Για την Κίνα, η καινοτομία αυτή έχει και στρατηγική διάσταση. Από τη στιγμή που η πρόσβαση σε κορυφαία συστήματα λιθογραφίας, όπως αυτά της ASML, είναι περιορισμένη λόγω γεωπολιτικών εντάσεων, η ικανότητα να βελτιστοποιήσει τις δικές της διαδικασίες παραγωγής αποτελεί τεράστιο πλεονέκτημα.
[source]
