All'IBM T.J. Watson Research Center a Yorktown Heights, N.Y., nascosto tra scrivanie e sale riunioni, ce ne sono circa 40, 000 piedi quadrati di spazio in camera bianca che comprende il Microelectronics Research Lab (MRL). Queste camere bianche sono costituite da strumenti altamente sofisticati gestiti da un team qualificato di ingegneri e scienziati che trascorrono le loro giornate elaborando wafer di silicio dopo wafer di silicio, e fabbricandoli in transistor e dispositivi a semiconduttore, che sono i cervelli dei circuiti integrati. Per mettere questo in prospettiva, gli ultimi smartphone hanno miliardi di questi minuscoli transistor all'interno di uno solo di essi.

Ancora, i team di scienziati di IBM Research non stanno fabbricando questi transistor per gli smartphone di oggi. Piuttosto, hanno gli occhi puntati sul futuro, impegnati nella sperimentazione di prototipi di chip e dispositivi informatici di nuova generazione. Oggi la loro ricerca è focalizzata sullo spingere i limiti della tecnologia del silicio e della Legge di Moore, compreso lo sviluppo di dispositivi logici e di memoria di nuova generazione per il ridimensionamento dei dispositivi di elaborazione convenzionali al nodo a 7 nm e oltre, così come la fabbricazione di nuove soluzioni cognitive e quantistiche che saranno il futuro dei sistemi informatici.

Infatti, più recentemente, il dispositivo a 5 qubit che fa parte dell'IBM Quantum Experience è stato fabbricato proprio nell'MRL di IBM Research. Creare nuove tecnologie come l'informatica quantistica è l'obiettivo dell'MRL di IBM e per sviluppare nuovi dispositivi basati su queste tecnologie, i ricercatori hanno bisogno di capacità altamente avanzate.

Un esempio delle strutture avanzate nell'MRL è uno strumento di processo per semiconduttori di Tokyo Electron Limited (TEL) che fornisce una capacità unica di incisione al plasma. Questo strumento sviluppa i processi necessari per modellare e valutare nuovi dispositivi e architetture costituiti da un'ampia gamma di materiali complessi tra cui III-V, nanotubi di carbonio e nuovi materiali magnetici per la tecnologia MRAM di coppia di trasferimento di spin non volatile.

I passaggi per la fabbricazione di questi nuovi tipi di strutture iniziano caricando i wafer di silicio nello strumento di processo. Anche se molti nuovi dispositivi realizzati con nuovi materiali come i nanotubi di carbonio o il grafene, vengono introdotti, tutti sono costruiti su una base di silicio. Le condizioni della camera bianca richiedono agli scienziati di indossare tute o "tute da coniglio" che coprono la maggior parte del loro corpo per prevenire qualsiasi rischio di contaminazione dei wafer da polvere o olio. I bracci robotici spostano i wafer dalla camera di carico nella camera del plasma dove vengono elaborati utilizzando gas e potenza controllati, in condizioni di ultra-alto vuoto. Ciò avviene mediante esposizione del wafer alla fase plasma. Prima di questa fase i wafer sono modellati solo dalla litografia che diventerà permanente dopo l'esposizione all'interno del reattore al plasma.

Cosa succede durante la fase plasmatica? Secondo Sebastian Engelmann, manager dell'Advanced Plasma Processing Group presso IBM Research, "Essenzialmente questo significa che i ricercatori accendono un "fuoco" al plasma nel reattore, che spesso si illumina come una fiamma e "brucia" il motivo originale nel wafer. Però, la caratteristica chiave di questa nuova sorgente di plasma è che brucia il materiale senza lasciare cenere".

Negli anni, il lavoro del team è passato dal livello micro al livello nano, seguendo il trend della miniaturizzazione. Di conseguenza, il processo di incisione ha dovuto raggiungere dimensioni di scala atomica, e oggi il team sta sviluppando nuove tecniche di incisione su strato atomico (ALE). "Mentre espandiamo le nostre tecnologie e ci muoviamo verso strutture e dispositivi avanzati, il livello di precisione necessario per l'incisione su substrati di silicio deve essere estremamente elevato, " ha detto Eric Joseph, senior manager e ricercatore di tecnologia dei processi unitari e dei materiali avanzati presso IBM. "Dobbiamo incidere il materiale e fermarci con una precisione a livello di angstrom".

Per metterlo in prospettiva, quando un'auto frena non si ferma immediatamente quando si preme il pedale del freno. Ci vuole una certa distanza prima che l'auto si fermi completamente. Le prestazioni di un set di freni su un'auto sono la misura della distanza necessaria per rallentare e fermarsi. "Quando si tratta di incidere nuovi dispositivi, dobbiamo fermarci un centesimo e non consumare più materiali. Questo è incredibilmente importante per i nanotubi di carbonio, grafene e materiali 2D, poiché il loro spessore è nella regione di due o tre angstrom, " disse Giuseppe.

ALE offre la capacità di incidere (rimuovere) uno strato di atomi alla volta da un substrato senza disturbare o danneggiare gli strati sottostanti o modificarne le proprietà. Esistono vari approcci all'ALE e il team di IBM Research ha esplorato diversi metodi, insieme a TEL e altri partner, per ottenere questa capacità per una varietà di diverse combinazioni di materiali.

Nel mese di luglio, l'IBM Research MRL presenterà i suoi ultimi risultati al 3rd International Workshop on Atomic Layer Etching, a Dublino, Irlanda, in cui esplorano uno di questi approcci promettenti che incorporano plasmi generati da fasci di elettroni. Il lavoro mette in evidenza la capacità di consentire un'elaborazione di altissima precisione di materiali atomicamente sottili come i nanotubi di carbonio e/o il grafene.