Revolucionando a Computação: A Ascensão dos Chips Semicondutores em Escala Atômica

A era da informação criada ao longo de quase 60 anos deu ao mundo a internet, smartphones e computadores ultrarrápidos. 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. Tais comprimentos de "escala atômica" são tão minúsculos que átomos individuais podem ser vistos e contados neles.

Com esta 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 chips cada vez mais capazes, eficientes e custo-efetivos. Cientistas do laboratório agora previram com precisão, através de modelagem, uma etapa chave na fabricação de chips em escala atômica no primeiro estudo do PPPL sob um Acordo Cooperativo de Pesquisa e Desenvolvimento (CRADA) com a Lam Research Corp., um fornecedor mundial de equipamentos de fabricação de chips.

"Isso seria um pequeno pedaço 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 ganhos através de modelagem, ele disse, "podem levar a todo tipo de coisas boas, e é por isso que este esforço no Laboratório tem alguma promessa."

Embora o encolhimento não possa continuar por muito mais tempo, "ainda não chegou completamente ao fim," ele disse. "A indústria tem tido sucesso até agora usando principalmente métodos empíricos para desenvolver novos processos inovadores, mas um entendimento fundamental mais profundo acelerará este processo. Estudos fundamentais levam tempo e requerem expertise que a indústria nem sempre tem," ele disse. "Isso cria um forte incentivo para laboratórios assumirem o trabalho."

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

"As simulações basicamente concordaram com experimentos como primeiro passo, e podem levar a entendimento melhorado do uso de ALE para gravação em escala atômica," disse Joseph Vella, um fellow pós-doutorado no PPPL e autor principal do artigo do jornal. Entendimento melhorado permitirá ao PPPL investigar coisas como a extensão de dano de superfície e o grau de rugosidade desenvolvida durante ALE, ele disse, "e tudo isso começa com a construção de nosso entendimento fundamental de gravação de camada atômica."

O modelo simulou o uso sequencial de gás cloro e íons de plasma de argônio para controlar o processo de gravação de silício em escala atômica. Plasma — gás ionizado — é uma mistura consistindo de 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 tornou-se particularmente eficaz quando as energias dos íons eram bastante mais altas que as que começamos," disse Graves. "Então esse será nosso próximo passo nas simulações — ver se podemos entender o que está acontecendo quando a energia do íon é muito mais alta e por que é tão bom."

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