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/ NetNews Usenet Archive 1992 #27 / NN_1992_27.iso / spool / sci / nanotech / 689 < prev    next >
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Internet Message Format  |  1992-11-20  |  6.7 KB

  1. Path: sparky!uunet!cs.utexas.edu!sun-barr!rutgers!igor.rutgers.edu!planchet.rutgers.edu!nanotech
  2. From: szabo@techbook.com (Nick Szabo)
  3. Newsgroups: sci.nanotech
  4. Subject: Nanolithography
  5. Message-ID: <Nov.20.21.00.13.1992.26419@planchet.rutgers.edu>
  6. Date: 21 Nov 92 02:00:15 GMT
  7. Sender: nanotech@planchet.rutgers.edu
  8. Lines: 123
  9. Approved: nanotech@aramis.rutgers.edu
  10.  
  11.  
  12. Tim May has described nanolithography that uses linear arrays of 
  13. 1e4-1e5 AFM's that would scan a chip and fill in detail to 10 nm 
  14. resolution or better.  The AFM tips could either expose a resist, directly 
  15. etch or directly deposit material.  Nanolithography seems to me a major 
  16. breakthrough in the road towards Drexler's vision of nanotechnology.  What 
  17. follows includes further nanolith techniques that I have brainstormed.
  18.  
  19. A nearer-term use of AFMs or STMs that requires only writing and
  20. reading a few atoms is to create an atomic-scale vernier that would be 
  21. used for alignment of more traditional lithographic pattern transfer 
  22. techniques such as ions, e-beams, x-rays, etc.  By using STM alignment 
  23. and decreasing the distance from the radiation source to the wafer surface, 
  24. many traditional techniques still have room for improvement to below 100 nm.
  25.  
  26. A field of great interest to nanotech is protein engineering: Brownian 
  27. assembled proteins, structures made out of DNA, self-replicating systems 
  28. vastly different from the natural DNA/RNA/ribosome system, etc.   Despite 
  29. the modelling difficulties, the shear momentum in protein engineering is 
  30. such that we may see many complex and useful protein and other organic
  31. systems emerging during the next decade.
  32.  
  33. I suggest a class of such systems which I call _nanoresists_.
  34. These would be proteins and other molecules that, upon specific
  35. stimulation, assemble into geometric two-dimensional shapes
  36. such as line segments, circles, donuts, squares, hexagons, meshes, etc.   
  37. A primitive nanoresist would form this shape based on a simple Brownian 
  38. assembly process upon being impinged with radiation.  Note that the 
  39. radiation delivers only a process-start signal; the pattern emerges from 
  40. the protein or polymer self-assembly.  Alternatively, prepatterned
  41. nanoresist films can be placed on the wafer by STMs or molecular-tip
  42. AFMs. More advanced nanoresists might include the following capabilities:
  43.  
  44. * Shape formed from a code based on radiation wavelength and
  45.   start/stop pulses; it might be formed from rhodopsin or other dye 
  46.   molecules that transmit excitons to a protein-assembling process.
  47.  
  48. * Shape formed by a short DNA code, which has been created by 
  49.   recombinant techniques and mass-produced by the polymerase chain 
  50.   reaction (PCR).  The DNA would form themselves into specific
  51.   shapes, rather than going through the DNA-mRNA-ribosome-protein
  52.   translation process.
  53.  
  54. * Specific 2D patterns produced by actual organisms distributed in
  55.   a controlled manner on the substrate.  Some existing creatures can form 
  56.   sophisticated hexagonal, spiral, and capillary structures; via genetic 
  57.   engineering we might be able to make an even wider variety of patterns. 
  58.  
  59. In each case the finished resist byproducts are etched away, leaving
  60. the skeleton which is the actual 2D resist pattern.   The resist can
  61. be either positive or negative; that is it can serve to protect
  62. the substrate from further deposition or from etching.  The etching or
  63. deposition process becomes the limiting factor, since nanoresists
  64. themselves might achieive resolutions below 1 nm.
  65.  
  66. Small-scale lithography not only improves the feature density of
  67. existing devices but also makes possible a wide variety of new 
  68. devices that take advantage of quantum effects: glowing nanopore 
  69. silicon, quantum dots and wells, tunneling magnets, squeezed
  70. lasers, etc.
  71.  
  72. Good yields are now being achieved in the deposition of diamond film, by 
  73. seeding a silicon surface with diamond seeds and then growing the diamond
  74. crystals epitaxially on those seeds from hot hydrogen and methane.
  75. The diamond can also be etched by nitrogen dioxide, and does not suffer 
  76. the crystal damage that often results from etching with fast atoms.  Thus, 
  77. diamond etching has a better prospect of matching the resolution of 
  78. nanoresists than traditional silicon etching with oxygen.
  79.  
  80. Diamond lithography may soon havae the following capabilities:
  81.  
  82. * Produce diamond-based ICs, vacuum tubes, and flat-screen
  83.   display elements.
  84. * Produce thousands of AFM cantilevers, tips, and control systems 
  85.   on one wafer.  These AFM's can then be used to lithograph 
  86.   further wafers, as described by May.  
  87. * Produce many diamond mechanical parts similar to those described 
  88.   in Drexler's _Nanosystems_, but via lithography instead of
  89.   Drexler's molecular-machine assembly.
  90.  
  91. The latter process is the most speculative, but ultimately the
  92. most fruitful.  Using nanoresists, and assuming that etching
  93. or deposition can be controlled to resolutions approaching single 
  94. atomic layers, we might create billions of mechanical diamond parts, 
  95. of a wide variety, on a single wafer.   Many of these parts would be 
  96. flawed on an atomic scale, but these could be eliminated by the following 
  97. process:
  98.  
  99. First, errors produced by consistent differences between the
  100. nanoresist shape and the desired part shape might be eliminated
  101. by bathing the parts in a solution containing enzymes that attack
  102. and destroy the specific atomic site errors.
  103.  
  104. Second, using advanced AFM or STM arrays, create an atomic-scale mesh.
  105. The arrays don't have to be efficient, we only need to do it a 
  106. few times to debug the process, like making a mask.  But they
  107. do need to produce a series of holes perfect on the atomic scale.  
  108.  
  109. The mesh comes in three varieties.  These contain 2D holes in the
  110. shape of the side view, top view and plan view of the 3D part.
  111. Once we have lithographed the billions of parts, we sort them 
  112. through the meshes on a tilted, vibrating table.  Only the perfectly
  113. made parts get through; the others get vibrated away into
  114. the recycling bin.  Even if we have an error rate of 99.9% on
  115. 1,000-atom parts, we can get a million useful parts per 
  116. billion-part wafer.  Three meshes can serve to error-check
  117. trillions of parts. 
  118.  
  119. Note that while nanolithography can greatly extend the 
  120. capability of nanotechnology, and help bridge the gap
  121. between current technology and Drexler's self-replicating
  122. factories, it in no way diminishes the importance of
  123. Drexler's mechanical-assembly approach.  Rather, the technologies
  124. are symbiotic: lithography makes the parts, and Drexler's
  125. machines can then assemble them together in a variety of
  126. ways.  With nanolithography, early Drexler machines can
  127. concentrate on assembly and leave the more complex 
  128. diamondoid mechanosynthesis to later.
  129.  
  130. ref:
  131. K. Eric Drexler, _Nanosystems_, John Wiley & Sons 1992
  132. Geis & Angus, "Diamond Film Semiconductors", Sci. Am. 10/92
  133. Tim May, personal communication
  134.