Forskare vid Johns Hopkins har upptäckt nya material och en ny process som kan främja den ständigt eskalerande strävan att tillverka mindre, snabbare och prisvärda mikrochips som används i modern elektronik – i allt från mobiltelefoner till bilar, vitvaror och flygplan.
Med hjälp av en process som är både precis och ekonomisk för tillverkning har forskarteamet upptäckt hur man kan skapa kretsar som är så små att de är osynliga för blotta ögat.
Resultaten har publicerats i tidskriften Nature Chemical Engineering.
”Företagen har sina egna planer för var de vill befinna sig om 10 till 20 år och därefter”, säger Michael Tsapatsis, Bloomberg Distinguished Professor i kemisk och biomolekylär teknik vid Johns Hopkins University. ”En utmaning har varit att hitta en process för att tillverka mindre komponenter i en produktionslinje där man bestrålar material snabbt och med absolut precision för att göra processen ekonomisk.”
De avancerade lasrar som krävs för att prägla de minimala formaten finns redan, tillägger Tsapatsis, men forskarna behövde nya material och nya processer för att kunna hantera allt mindre mikrochips.
Mikrochips är platta bitar av kisel med präglade kretsar som utför grundläggande funktioner. Under tillverkningen belägger tillverkarna kiselplattor med ett strålningskänsligt material för att skapa en mycket fin beläggning som kallas ”resist”. När en strålningsstråle riktas mot resisten utlöser det en kemisk reaktion som bränner in detaljer i skivan och ritar mönster och kretsar.
De strålningsstrålar med högre effekt som behövs för att skära ut allt mindre detaljer på chip interagerar dock inte tillräckligt starkt med traditionella resister.
Tidigare har forskare från Tsapatsis laboratorium och Fairbrother Research Group vid Johns Hopkins upptäckt att resist gjorda av en ny klass av metallorganiska ämnen kan hantera den högre strålningsprocessen, kallad ”beyond extreme ultraviolet radiation” (B-EUV), som har potential att göra detaljerna mindre än den nuvarande standardstorleken på 10 nanometer. Metaller som zink absorberar B-EUV-ljuset och genererar elektroner som orsakar de kemiska omvandlingar som behövs för att prägla kretsmönster på ett organiskt material som kallas imidazol.
Denna forskning är ett av de första tillfällena som forskare har kunnat deponera dessa imidazolbaserade metallorganiska resist från lösning på kiselskivor och kontrollera deras tjocklek med nanometerprecision.
För att utveckla den kemi som behövs för att belägga kiselskivan med de metallorganiska materialen kombinerade teamet experiment och modeller från Johns Hopkins University, East China University of Science and Technology, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Soochow University, Brookhaven National Laboratory och Lawrence Berkeley National Laboratory. Den nya metoden, som de kallar kemisk vätskeavlagring (CLD), kan konstrueras med precision och låter forskare snabbt utforska olika kombinationer av metaller och imidazoler.
”Genom att leka med de två komponenterna (metall och imidazol) kan man ändra effektiviteten i ljusabsorptionen och kemin i de efterföljande reaktionerna. Och det öppnar upp för oss att skapa nya metall-organiska parningar”, säger Tsapatsis. ”Det spännande är att det finns minst 10 olika metaller som kan användas för denna kemi, och hundratals organiska ämnen.”
Forskarna har börjat experimentera med olika kombinationer för att skapa parningar specifikt för B-EUV-strålning, som de säger sannolikt kommer att användas i tillverkningen under de närmaste 10 åren.
”Eftersom olika våglängder har olika interaktioner med olika element kan en metall som är en förlorare vid en våglängd vara en vinnare vid en annan”, säger Tsapatsis. ”Zink är inte särskilt bra för extrem ultraviolett strålning, men det är en av de bästa för B-EUV.”
Mer information: Spin-on deposition of amorphous zeolitic imidazolate framework films for lithography applications, Nature Chemical Engineering (2025). DOI: 10.1038/s44286-025-00273-z. www.nature.com/articles/s44286-025-00273-z
