Una tecnica di produzione che potrebbe aiutare l'industria dei semiconduttori a realizzare chip per computer più potenti è iniziata nei luoghi più umili:a un tavolo da pranzo presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE).

Il metodo di sintesi dei materiali noto come sintesi per infiltrazione sequenziale, o SIS, ha il potenziale per migliorare non solo la produzione di chip, ma anche cose come l'archiviazione del disco rigido, efficienza delle celle solari, superfici antiriflesso su ottiche e parabrezza auto idrorepellenti. Inventato nel 2010 durante una conversazione all'ora di pranzo tra gli scienziati dell'Argonne Seth Darling e Jeffrey Elam e due dei loro ricercatori post-dottorato, l'uso del metodo è cresciuto negli ultimi anni.

Il metodo si basava sulla discussione del gruppo sulla deposizione di strati atomici, o ALD, una tecnica di deposizione di film sottili che utilizza vapori chimici alternati per far crescere i materiali uno strato atomico alla volta. Tesoro, direttore dell'Istituto di ingegneria molecolare ad Argonne e del Centro di ricerca sulle frontiere energetiche dei materiali avanzati per i sistemi energia-acqua, ha recentemente utilizzato quella tecnica per aggiungere un rivestimento di ossido di metallo amante dell'acqua ai filtri utilizzati nell'industria petrolifera e del gas che previene l'intasamento dei filtri.

Ma mentre il gruppo parlava, hanno iniziato a ipotizzare di portare l'ALD a un nuovo livello, disse Tesoro.

"Noi abbiamo detto, "Non sarebbe bello se potessimo far crescere un materiale all'interno di un altro materiale come un polimero (una stringa di molte molecole combinate) invece che sopra di esso?", ha detto Darling. opera, ' ma, sorprendentemente, ha funzionato benissimo al primo tentativo. Poi abbiamo iniziato a immaginare tutte le diverse applicazioni per cui poteva essere utilizzato."

La ricerca è stata finanziata dal DOE Office of Science, Programma di scienze energetiche di base e il Centro di ricerca sull'energia solare Argonne-Northwestern, un centro di ricerca di frontiera energetica finanziato dall'Office of Science del DOE.

SIS è simile all'ALD su una superficie polimerica, ma in SIS il vapore si diffonde nel polimero piuttosto che sopra di esso, dove si lega chimicamente con il polimero e alla fine cresce per creare strutture inorganiche in tutta la massa del polimero.

Utilizzando questa tecnica, gli scienziati possono creare rivestimenti robusti che possono aiutare l'industria manifatturiera dei semiconduttori a incidere caratteristiche più complesse sui chip dei computer, consentendo loro di diventare ancora più piccoli o di aggiungere spazio di archiviazione aggiuntivo e altre funzionalità. Possono anche personalizzare la forma di vari metalli, ossidi e altri materiali inorganici applicandoli a un polimero con SIS e quindi rimuovendo i resti del polimero.

"Puoi prendere un modello in un polimero, esporlo ai vapori e trasformarlo da materiale organico a materiale inorganico, " disse Elam, direttore del programma di ricerca ALD di Argonne, riferendosi al modo in cui il metodo può utilizzare polimeri e un vapore per modellare sostanzialmente un nuovo materiale con proprietà specifiche. "È un modo per utilizzare un modello polimerico, e convertire quel modello praticamente in qualsiasi materiale inorganico."

Il potenziale della tecnologia va oltre i semiconduttori. Potrebbe essere utilizzato per far avanzare prodotti in diversi settori, e Argonne sarebbero lieti di lavorare con partner di commercializzazione che possono prendere l'invenzione e incorporarla nei prodotti esistenti o inventare nuove applicazioni a beneficio dell'economia degli Stati Uniti, disse Hemant Bhimnathwala, un dirigente dello sviluppo aziendale presso Argonne.

"Puoi usare SIS per creare un film, puoi metterlo su un metallo, puoi crearlo su vetro o metterlo su un parabrezza di vetro per renderlo idrorepellente al punto da non aver bisogno di tergicristalli, " ha detto Bhimnathwala.

Anche il modo in cui gli scienziati hanno inventato la tecnica, durante quel pranzo di lavoro, è stato un po' insolito. Le nuove scoperte spesso avvengono per caso, ma di solito non sputacchiando idee durante il pranzo, ha detto Elam.

"Occasionalmente, se stai guardando attentamente, puoi vedere qualcos'altro lì e scoprire qualcosa di nuovo e inaspettato, " Elam ha detto. "Questo non accade molto spesso, ma quando lo fa, è ottimo."

La tecnica affronta anche un problema specifico nell'industria manifatturiera dei semiconduttori, crollo del modello, il che significa il crollo di minuscole funzionalità utilizzate per creare componenti elettrici su un chip di computer, rendendolo inutile.

Quando un motivo viene inciso su un chip di silicio nel processo di fabbricazione del chip, una superficie resistente all'incisione viene utilizzata come rivestimento protettivo per mascherare quelle regioni che non si desidera rimuovere. Ma i rivestimenti resistenti all'incisione comunemente usati oggi si consumano molto rapidamente, che ha impedito ai produttori di chip di realizzare componenti con caratteristiche profondamente incise, ha detto tesoro.

Con SIS, i rivestimenti a vapore inorganico possono essere progettati per fornire una maggiore protezione delle caratteristiche verticali, consentendo incisioni più profonde e l'integrazione di più componenti su ciascun chip.

"Le caratteristiche sui chip sono diventate estremamente ridotte lateralmente, ma a volte vuoi anche farli alti, "Darling ha detto. "Non puoi fare una caratteristica alta se la tua resistenza si incide rapidamente, ma con la SIS è facile".

Allo stesso modo, la tecnica può essere utilizzata per manipolare la registrazione magnetica su dischi rigidi o altri dispositivi di memorizzazione, consentendo loro di aumentare lo spazio di archiviazione e allo stesso tempo di ridursi, ha detto tesoro.

Un'altra possibilità per la tecnologia è controllare la quantità di luce che rimbalza su una superficie di vetro o plastica. Usando il SIS, gli scienziati possono progettare superfici in modo che siano quasi completamente non riflettenti. Utilizzando questa strategia, gli scienziati possono migliorare le prestazioni delle celle solari, LED e persino occhiali da vista.

"Ci sono anche molte applicazioni in elettronica, " Elam said. "You can use it to squeeze more memory in a smaller space, or to build faster microprocessors. SIS lithography is a promising strategy to maintain the technological progression and scaling of Moore's Law."

The team's research on the technology has been published in the Journal of Materials Chemistry , il Giornale di chimica fisica , Materiale avanzato e il Journal of Vacuum Science &Technology B .

Argonne is looking for commercial partners interested in licensing and developing the technology for more specific uses. Companies interested in leveraging Argonne's expertise in SIS should contact [email protected] to learn more and discuss possible collaborations.