Chips semicondutores de escala atômica — Ultrapassando os limites

A era da informação criada ao longo de quase 60 anos deu ao mundo a internet, telefones inteligentes e computadores extremamente rápidos. Tornar isso possível foi a duplicação do número de transistores que podem ser empacotados em um chip de computador aproximadamente a cada dois anos, dando origem a bilhões de transistores em escala atômica que agora cabem em um chip do tamanho de uma unha. Esses comprimentos de “escala atômica” são tão pequenos que átomos individuais podem ser vistos e contados neles.

Com essa duplicação agora se aproximando rapidamente de um limite físico, o Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) juntou-se aos esforços da indústria para estender o processo e desenvolver novas maneiras de produzir salgadinhos. Cientistas de laboratório agora previram com precisão, por meio de modelagem, um passo fundamental na fabricação de chips em escala atômica no primeiro estudo PPPL sob um Acordo Cooperativo de Pesquisa e Desenvolvimento (CRADA) com a Lam Research Corp., um fornecedor mundial de equipamentos de fabricação de chips .

“Esta seria uma pequena peça em todo o processo”, disse o professor David Graves, diretor associado do laboratório para interações de superfície de plasma de baixa temperatura e coautor de um artigo que descreve as descobertas no Journal of Vacuum Science &Technology B . Insights obtidos por meio de modelagem, disse ele, “podem levar a todo tipo de coisa boa, e é por isso que esse esforço no laboratório tem alguma promessa”.

Embora o encolhimento não possa continuar por muito mais tempo, “não chegou completamente ao fim”, disse ele. “A indústria tem sido bem sucedida até hoje em usar principalmente métodos empíricos para desenvolver novos processos inovadores, mas uma compreensão fundamental mais profunda acelerará esse processo. Estudos fundamentais levam tempo e exigem expertise que nem sempre a indústria tem”, disse. “Isso cria um forte incentivo para os laboratórios assumirem o trabalho.”

Os cientistas do PPPL modelaram o que é chamado de “gravura de camada atômica” (ALE), uma etapa de fabricação cada vez mais crítica que visa remover camadas atômicas únicas de uma superfície, uma de cada vez. Esse processo pode ser usado para gravar estruturas tridimensionais complexas com dimensões críticas que são milhares de vezes mais finas que um fio de cabelo humano em um filme em uma pastilha de silício.

“As simulações basicamente concordaram com os experimentos como um primeiro passo e podem levar a uma melhor compreensão do uso da ALE para gravação em escala atômica”, disse Joseph Vella, pós-doutorando do PPPL e principal autor do artigo da revista. A compreensão aprimorada permitirá que o PPPL investigue coisas como a extensão dos danos na superfície e o grau de rugosidade desenvolvido durante a ALE, disse ele, “e tudo isso começa com a construção de nossa compreensão fundamental da corrosão da camada atômica”.

O modelo simulou o uso sequencial de gás cloro e íons de plasma de argônio para controlar o processo de ataque de silício em escala atômica. Plasma – gás ionizado – é uma mistura que consiste em elétrons livres, íons carregados positivamente e moléculas neutras. O plasma usado no processamento de dispositivos semicondutores está próximo da temperatura ambiente, em contraste com o plasma ultraquente usado em experimentos de fusão.

“Uma descoberta empírica surpreendente da Lam Research foi que o processo ALE se tornou particularmente eficaz quando as energias dos íons eram um pouco mais altas do que as que começamos”, disse Graves. “Então esse será o nosso próximo passo nas simulações – para ver se podemos entender o que está acontecendo quando a energia dos íons é muito maior e por que é tão boa.”

No futuro, “a indústria de semicondutores como um todo está contemplando uma grande expansão nos materiais e nos tipos de dispositivos a serem usados, e essa expansão também terá que ser processada com precisão em escala atômica”, disse ele. “O objetivo dos EUA é liderar o mundo no uso da ciência para enfrentar importantes problemas industriais”, disse ele, “e nosso trabalho faz parte disso”.