互动科普

自组装技术已经成为纳米科技人员工具箱中不可或缺的一部分。自然的引力和斥力作用促使分子形成了精致的雪花图形。在纳米领域探索的科研人员认为利用同种力能制造有用的结果，比如用于医用植入体或器官中的电子芯片。迄今为止，许多与自组装纳米结构相关的工作还只是在大学实验室里验证。要想超越科学上的好奇心，纳米材料与技术就要从工作台走向20亿美元的半导体制造业。

四年前，纽约州IBM公司华生研究中心的两名技术人员开始构想怎么能把自组装技术从想像变为现实。合作者Charles Black和Kathryn Guarini认为，必须抛弃用自组装技术制作完整芯片电路的学院派宏图大计。他们认为最好的替代方法是从取代原有的单独一个制作工艺开始。Black说：“芯片制造有数以百计的工序，我们的设想是如果能减轻其中一道工序的压力，就应该利用它。”他们首先要选择什么类型的分子无须打乱传统硅生产工艺就可以自组装。聚合物是一个显然的选择。他们制作了用于光刻工艺的“光刻胶”。当这种材料曝光于紫外线或者短波长光下，就会被刻蚀掉，从而形成电路图形。在探寻开始的两年里，两人花时间学习了聚合物的有关知识，以及它们能够自组装的最佳温度和厚度。Black和Guarini的工作建立在加州圣何塞IBM阿尔马登（Almaden）研究中心的Craig J. Hawker和原IBM员工，现阿莫斯特马赛诸塞大学的聚合物学家Thomas P. Russell的研究基础上，他们对聚合物如何在硅上自组装做了大量研究。运用这些知识，Black和Guarini甚至着手制造产品了。

这两名研究者在会议上展示了自组装形成的蜂窝图形。但他们的成就还只不过是一些PowerPoint幻灯片，那种在所有纳米学术会议上随处可见的显微照片。这些纳米图形能做什么？怎样才能集成到生产线上？他们能超过已有数百万美金投资的电路图型技术吗？

最终，他们去年展示了在实际生产设备中怎样制造自组装蜂窝图形。演示选用了化学键合的二元共聚物，这次选用的是聚苯乙烯（泡沫聚苯乙烯）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。这种聚合物置于旋转硅晶片表面时，就像油和水似的分离开了。尽管分子伸开了，但化学键使它们束缚在一起。随后的热处理加剧了伸展，最后PMMA聚集在周围包着聚苯乙烯的小圆柱中。这样，二元共聚物自己就形成了近乎完整的蜂窝状模板。

用有机刻蚀溶剂除掉PMMA就完成了宽20纳米孔的制造，随后的腐蚀工序把蜂窝图形转移到下面的富二氧化硅层，接着将非晶硅涂层沉积在晶片表面。气体把沉积在空洞以外的硅都腐蚀除去，留下的只有二氧化硅包裹着的柱状纳米晶体硅。最后工序是在生成结构上放置绝缘层和一硅块，用来形成开关电子器件的“栅极”。Black和Guarini的蜂窝构造能制成某种高效闪存中的一部分，即使照相机或录音设备关闭，也能保存数据，数据存储在柱状纳米晶体硅形成的储存器中。

一般来说，如果不是研究人员有很好地应用实例，工艺工程师采用新工艺都十分谨慎。自组装技术有可能合乎条件。用普通光刻和沉积技术很难得到闪存间距紧密地孔穴。传统技术制备的纳米晶体尺寸大小不一，混杂在一起。相反，自组装纳米晶体间距均匀、尺寸一致，耐用性和电容量都相应提高，柱状纳米晶体能够缩小到小于20纳米。

严格来讲，IBM的演示成为了原理的证明。近年IBM没有生产商用闪存，因此这项发明不会立刻应用于改善它自己的制造工艺。但这对搭档却可以借此炫耀一下这种纳米图形技术。Black说：“可以说这并不是公司里我们能做到的最漂亮的演示，但每个人都起了支持作用，可以看出这项技术的力量。”

把纳米制造工艺和传统芯片制造工艺结合起来的想法，也许能提供制造IBM其他电子器件的新方法。制造孔洞，再填充它，能制作埋在衬底中的“退耦”电容，从而消除提供芯片电源的波动。

采用不同的纳米图形，利用自组装聚合物还能制作纤细、突出的手指型硅突起，从下面衬底上伸出。这些“手指”能构成晶体管电子流的“隧道”，不过电流是垂直于芯片的，而不像现在器件中横穿过芯片。开关晶体管的栅极环绕着手指型硅。当晶体管处于关闭状态时，这种几何构造能防止电子的“隧道”效应或者说穿过沟道泄露，这是特征尺寸变得非常小时常有的威胁。

最终，自组装技术可能会在精加工电路中发挥更大作用。Black和Guarini方法的发展也许意味着这是将纳米技术作为实际制造工具最有前景的道路。Black说：“最激动人心的是这些材料不再仅仅停留在聚合物科学实验室了。”这在微小器件制作方面迈出了一小步。

[杨霏/译      杨光/校]