Utilizzando le risorse di supercalcolo presso l'Argonne Leadership Computing Facility, I ricercatori dell'Università di Chicago e dell'Argonne hanno trovato un modo per miniaturizzare i componenti dei microchip utilizzando una tecnica che produce zero difetti. Questo progresso consentirà ai produttori di semiconduttori di soddisfare le date target di miniaturizzazione per produrre componenti più piccoli con funzionalità aggiuntive per i nostri dispositivi preferiti. Credito:de Pablo et al.
Le date target sono fondamentali quando l'industria dei semiconduttori aggiunge piccole quantità, funzionalità avanzate per i nostri dispositivi preferiti integrando materiali avanzati sulle superfici dei chip dei computer. Mancare un obiettivo significa posticipare il rilascio di un dispositivo, che potrebbe costare a un'azienda milioni di dollari o, peggio, la perdita di competitività e di un intero settore. Ma raggiungere le date target può essere difficile perché i dispositivi integrati finali, che includono miliardi di transistor, deve essere impeccabile - meno di un difetto per 100 centimetri quadrati.
Ricercatori dell'Università di Chicago e dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, guidato da Juan de Pablo e Paul Nealey, potrebbe aver trovato un modo per l'industria dei semiconduttori di raggiungere gli obiettivi di miniaturizzazione in tempo e senza difetti.
Per realizzare microchip, La tecnica di de Pablo e Nealey include la creazione di modelli su superfici di semiconduttori che consentono alle molecole di copolimeri a blocchi di autoassemblarsi in forme specifiche, ma più sottili e con densità molto più elevate di quelle del modello originale. I ricercatori possono quindi utilizzare una tecnica di litografia per creare nano-trincee in cui depositare materiali conduttori.
Questo è un netto contrasto con la pratica industriale di utilizzare omopolimeri in formulazioni complesse di "fotoresist", dove i ricercatori hanno "sbattuto contro un muro, " incapace di rendere il materiale più piccolo.
Prima che potessero sviluppare il loro nuovo metodo di fabbricazione, però, de Pablo e Nealey avevano bisogno di capire esattamente come i copolimeri a blocchi si autoassemblano quando vengono rivestiti su una superficie modellata - la loro preoccupazione è che determinati vincoli causano l'assemblaggio delle nanostrutture di copolimeri in stati metastabili indesiderati. Per raggiungere il livello di perfezione richiesto per fabbricare nanocircuiti ad alta precisione, il team ha dovuto eliminare alcuni di questi stati metastabili.
I ricercatori dell'Università di Chicago e Argonne utilizzano le risorse di supercalcolo presso l'Argonne Leadership Computing Facility per prevedere il percorso che le molecole devono seguire per trovare stati privi di difetti e hanno progettato un processo che fornisce nanocircuiti standard del settore che possono essere ridimensionati a densità più piccole senza difetti. Credito:de Pablo et al.
Per immaginare come si assemblano i copolimeri a blocchi, può essere utile immaginare un paesaggio energetico costituito da montagne e valli in cui alcune valli sono più profonde di altre. Il sistema preferisce una stabilità priva di difetti, che possono essere caratterizzati dalle valli più profonde (a bassa energia), se possono essere trovati. Però, i sistemi possono rimanere intrappolati all'interno di valli più alte (di media energia), chiamati stati metastabili, che hanno più difetti.
Per passare da uno stato metastabile a uno stabile, le molecole di copolimero a blocchi devono trovare modi per scalare le montagne e trovare valli a bassa energia.
"Le molecole in questi stati metastabili sono comode, e possono rimanere in quello stato per periodi di tempo straordinariamente lunghi, ", ha detto de Pablo dell'Università di Chicago e dell'Istituto di ingegneria molecolare di Argonne. "Per sfuggire a tali stati e raggiungere un accordo perfetto, devono iniziare a riorganizzarsi in modo tale da consentire al sistema di scavalcare le barriere energetiche locali, prima di raggiungere un minimo di energia inferiore. Quello che abbiamo fatto in questo lavoro è prevedere il percorso che queste molecole devono seguire per trovare stati privi di difetti e progettato un processo che fornisce nanocircuiti standard del settore che possono essere ridimensionati a densità più piccole senza difetti".
Utilizzando una sovvenzione INCITE, de Pablo e il suo team hanno utilizzato i supercomputer Mira e Fusion presso l'Argonne Leadership Computing Facility, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Là, il team ha generato simulazioni molecolari di polimeri a blocchi autoassemblanti insieme a sofisticati algoritmi di campionamento per calcolare dove sorgerebbero nel materiale le barriere al riarrangiamento strutturale.
Dopo aver fatto tutti i calcoli, i ricercatori potrebbero prevedere con precisione i percorsi di riarrangiamento molecolare che i copolimeri a blocchi devono seguire per passare da uno stato metastabile a uno stabile. Potrebbero anche sperimentare temperature, solventi e campi applicati per manipolare ulteriormente e ridurre le barriere tra questi stati.
Per verificare questi calcoli, de Pablo e Nealey hanno collaborato con IMEC, un consorzio internazionale con sede in Belgio. I loro strumenti di fabbricazione e caratterizzazione di livello commerciale hanno aiutato i ricercatori a eseguire esperimenti in condizioni che non sono disponibili nei laboratori accademici. Un singolo difetto misura solo una manciata di nanometri; "trovare un difetto in un'area di 100 centimetri quadrati è come trovare un ago in un pagliaio, e ci sono solo pochi posti al mondo in cui si ha accesso all'attrezzatura necessaria per farlo, "dice de Pablo.
"I produttori hanno da tempo esplorato la fattibilità dell'utilizzo dell'assemblaggio di copolimeri a blocchi per raggiungere le piccole dimensioni critiche richieste dall'informatica moderna e da densità di archiviazione dati più elevate, " De Pablo ha detto. "La loro sfida più grande riguardava la valutazione dei difetti; seguendo le strategie che abbiamo delineato, quella sfida è notevolmente diminuita."
John Neuffer, presidente e CEO della Semiconductor Industry Association (SIA), afferma che l'industria è incessantemente concentrata sulla progettazione e sulla costruzione di chip più piccoli, più potente e più efficiente dal punto di vista energetico. "La chiave per sbloccare la prossima generazione di innovazione dei semiconduttori è la ricerca, " ha detto. "SIA loda il lavoro svolto dall'Argonne National Laboratory e dall'Università di Chicago, così come altre importanti ricerche scientifiche in corso negli Stati Uniti".
De Pablo, Nealey e il loro team continueranno le loro indagini con una classe più ampia di materiali, aumentando la complessità dei modelli e caratterizzando i materiali in maggior dettaglio, sviluppando anche metodi basati sull'autoassemblaggio per la fabbricazione di strutture tridimensionali.
Il loro obiettivo a lungo termine, con il supporto dell'Office of Science del DOE, è arrivare a una comprensione dell'autoassemblaggio diretto di molecole polimeriche che consentirà la creazione di ampie classi di materiali con un controllo squisito sulla loro nanostruttura e funzionalità per applicazioni nella raccolta di energia, stoccaggio e trasporto.
