Fabricados a partir do mesmo elemento encontrado na areia e cobertos por padrões intrincados, os microchips alimentam smartphones, aumentam aparelhos e auxiliam na operação de carros e aviões.



Agora, cientistas do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) estão desenvolvendo códigos de simulação de computador que superarão as técnicas de simulação atuais e ajudarão na produção de microchips usando plasma, o estado da matéria eletricamente carregado também usado na pesquisa de fusão. .

Esses códigos poderiam ajudar a aumentar a eficiência do processo de fabricação e potencialmente estimular o renascimento da indústria de chips nos Estados Unidos.

“Como os dispositivos com microchips são essenciais para a nossa vida quotidiana, como e onde são fabricados é uma questão de segurança nacional”, disse Igor Kaganovich, principal físico investigador que lidera o grupo de modelação de baixas temperaturas no PPPL.

"Ferramentas de simulação robustas e confiáveis ​​que podem prever com precisão o comportamento do plasma e encurtar o ciclo de fabricação e design de chips de silício poderiam ajudar os EUA a recuperar um papel de liderança neste campo e mantê-lo por décadas."

Acelerando o ritmo

Um esforço de pesquisa do PPPL envolve a redução do tempo que os computadores precisam para simular reatores de plasma de microchip. Esta inovação ajudaria a indústria privada a utilizar amplamente simulações mais complexas e precisas e ajudaria no seu esforço para reduzir os custos dos microchips.

"As empresas gostariam de usar simulações para melhorar seus processos, mas elas normalmente são computacionalmente caras", disse Andrew Tasman Powis, coautor do artigo que relata os resultados em Physics of Plasmas. e associado de pesquisa computacional no PPPL. “Estamos fazendo o nosso melhor para contrariar esta tendência.”

Os físicos geralmente desejam que as simulações reproduzam o plasma com a maior precisão possível, gerando imagens virtuais que revelem as complexidades do comportamento do plasma com detalhes muito sutis. Esse processo requer algoritmos, programas que seguem um conjunto de regras, que simulam o plasma em incrementos de tempo muito curtos e em pequenos volumes de espaço.

O problema é que essas simulações detalhadas exigem computadores poderosos funcionando por dias ou semanas seguidas. Esse prazo é muito longo e caro para as empresas que desejam usar as simulações para melhorar seus processos de fabricação de microchips.

Os pesquisadores mergulharam na história da física do plasma para encontrar algoritmos já desenvolvidos que poderiam ser capazes de reduzir o tempo necessário para simular o plasma do microchip. Os pesquisadores encontraram algoritmos adequados da década de 1980; quando testados, os algoritmos demonstraram capacidade de modelar sistemas de plasma com microchips em muito menos tempo e com apenas uma pequena redução na precisão.

Em essência, os pesquisadores descobriram que poderiam obter boas simulações mesmo modelando partículas de plasma em espaços maiores e usando incrementos de tempo mais longos.

“Este desenvolvimento é importante porque pode poupar tempo e dinheiro às empresas”, disse Haomin Sun, principal investigador do estudo e ex-aluno de pós-graduação do Programa de Física de Plasmas da Universidade de Princeton, baseado no PPPL.

"Isso significa que com a mesma quantidade de recursos computacionais, você pode criar mais simulações. Mais simulações não apenas permitem encontrar maneiras de melhorar a fabricação, mas também aprender mais física em geral. Podemos fazer mais descobertas usando nossos recursos limitados. "

Pesquisas relacionadas lideradas por Powis reforçam esta possibilidade. Em um artigo publicado em Physics of Plasmas , Powis confirma que os códigos de computador podem gerar modelos precisos de partículas de plasma enquanto usam "células" virtuais ou pequenos volumes de espaço que excedem uma medida padrão na física do plasma conhecida como comprimento de Debye.

Este desenvolvimento significa que os códigos podem, de facto, utilizar menos células e reduzir a necessidade de tempo de computação. “Esta é uma boa notícia porque a redução do número de células poderia diminuir o custo computacional da simulação e, portanto, melhorar o desempenho”, disse Powis.

Os algoritmos podem simular os chamados “reatores de plasma acoplados capacitivamente”, que criam o plasma que os engenheiros usam para gravar canais estreitos em um wafer de silício. Essas pequenas passagens formam o microcircuito que permite o funcionamento do microchip.

“Estamos interessados ​​em modelar este processo para que possamos aprender como controlar as propriedades do plasma, prever como seriam em uma nova máquina e então prever as propriedades de gravação para que possamos melhorar o processo”, disse Powis.

A equipe planeja testar ainda mais os algoritmos, adicionando os efeitos de diferentes tipos de materiais de parede e eletrodos. “Queremos continuar a construir confiança nestes algoritmos para que possamos ter certeza de que os resultados são precisos”, disse Powis.

Reconhecendo e superando limites inerentes

Outro esforço de pesquisa concentra-se nos erros que podem surgir nas simulações de plasma devido às limitações inerentes aos próprios métodos de simulação, que modelam números menores de partículas de plasma do que os presentes no plasma real.

"Quando você simula plasma, o ideal seria rastrear cada partícula e saber onde ela está o tempo todo", disse Sierra Jubin, estudante de pós-graduação do Programa de Princeton em Física de Plasmas e autora principal de um artigo que relata os resultados em Física dos Plasmas . "Mas não temos poder computacional infinito, então não podemos fazer isso."

Para contornar essa dificuldade, os pesquisadores projetam um código para representar milhões de partículas como um gigante partícula. Fazer isso simplifica a tarefa do computador, mas também amplifica as interações das megapartículas virtuais. Como resultado, uma mudança na proporção de partículas que se movem a uma velocidade versus quantas se movem a outra – um processo conhecido como termalização – acontece mais rapidamente do que na natureza. Essencialmente, a simulação não corresponde à realidade.

“Isto é um problema porque se não resolvermos esta questão, não estaremos modelando os fenómenos como eles realmente ocorrem no mundo”, disse Jubin. "E se quisermos saber quantos elétrons estão se movendo a uma determinada velocidade, gerando íons ou espécies químicas reativas que interagem com os materiais usados ​​para fazer microchips, não obteremos uma imagem precisa."

Para compensar estes erros computacionais, os investigadores descobriram que poderiam tornar os volumes das megapartículas maiores e menos densos, silenciando as suas interacções e abrandando as mudanças nas velocidades das partículas. "Na verdade, esses resultados colocam limites sobre o que é possível em simulações de plasma com microchips, apontam restrições que devemos considerar e apresentam algumas soluções", disse Jubin.

As descobertas de Jubin reforçam a noção de que as atuais técnicas de simulação devem ser melhoradas. Seja porque os códigos usados ​​hoje exigem pequenos tamanhos de volume e incrementos de tempo que juntos retardam as simulações ou porque produzem erros com base em requisitos computacionais, os cientistas precisam de novas soluções. “Esta é na verdade uma mudança de paradigma na área”, disse Kaganovich, “e o PPPL está liderando o caminho”.

A equipe incluiu pesquisadores da Universidade de Princeton, do Centro Suíço de Plasma da École Polytechnique Federale de Lausanne, do Instituto Birla de Tecnologia e Ciência da Índia, do Instituto Nacional Homi Bhabha da Índia, da Universidade de Alberta em Edmonton, Applied Materials, Inc., e da China Sino. -Instituto Francês de Engenharia e Tecnologia Nuclear.

Mais informações: Sierra Jubin et al, Termalização numérica em simulações PIC 2D:estimativas práticas para simulações de plasma de baixa temperatura, Física dos Plasmas (2024). DOI:10.1063/5.0180421
A. T. Powis et al, Precisão do método explícito de partícula na célula com conservação de energia para simulações sub-resolvidas de descargas de plasma capacitivamente acopladas, Física dos Plasmas (2024). DOI:10.1063/5.0174168

Haomin Sun et al, Métodos diretos implícitos e explícitos de conservação de energia de partículas na célula para modelagem de dispositivos de plasma acoplados capacitivamente, Física dos Plasmas (2023). DOI:10.1063/5.0160853

Informações do diário: Física dos Plasmas

Fornecido pelo Laboratório de Física de Plasma de Princeton