Usando os recursos de supercomputação no Argonne Leadership Computing Facility, Pesquisadores da Universidade de Chicago e da Argonne descobriram uma maneira de miniaturizar os componentes do microchip usando uma técnica que produz zero defeitos. Esse avanço permitirá que os fabricantes de semicondutores cumpram os prazos de miniaturização para produzir componentes menores com funcionalidade adicional para nossos dispositivos favoritos. Crédito:de Pablo et al.
As datas-alvo são críticas quando a indústria de semicondutores adiciona pequenos, recursos aprimorados para nossos dispositivos favoritos, integrando materiais avançados às superfícies de chips de computador. Falhar um alvo significa adiar o lançamento de um dispositivo, o que poderia custar milhões de dólares a uma empresa ou, pior, a perda de competitividade e de toda uma indústria. Mas cumprir as datas-alvo pode ser um desafio porque os dispositivos integrados finais, que incluem bilhões de transistores, deve ser impecável - menos de um defeito por 100 centímetros quadrados.
Pesquisadores da Universidade de Chicago e do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA, liderado por Juan de Pablo e Paul Nealey, pode ter encontrado uma maneira para a indústria de semicondutores atingir as metas de miniaturização a tempo e sem defeitos.
Para fazer microchips, A técnica de Pablo e Nealey inclui a criação de padrões em superfícies de semicondutores que permitem que as moléculas de copolímero em bloco se automontem em formas específicas, mas mais fino e em densidades muito mais altas do que aquelas do padrão original. Os pesquisadores podem então usar uma técnica de litografia para criar nano-trincheiras onde materiais de fios condutores podem ser depositados.
Este é um forte contraste com a prática da indústria de usar homopolímeros em formulações complexas de "fotorresiste", onde os pesquisadores "bateram em uma parede, "incapaz de tornar o material menor.
Antes que eles pudessem desenvolver seu novo método de fabricação, Contudo, de Pablo e Nealey precisavam entender exatamente como os copolímeros em bloco se auto-montam quando revestidos em uma superfície padronizada - sua preocupação é que certas restrições fazem com que as nanoestruturas de copolímero se agrupem em estados metaestáveis indesejáveis. Para atingir o nível de perfeição exigido para fabricar nanocircuitos de alta precisão, a equipe teve que eliminar alguns desses estados metaestáveis.
Pesquisadores da Universidade de Chicago e Argonne usam os recursos de supercomputação no Argonne Leadership Computing Facility para prever o caminho que as moléculas devem seguir para encontrar estados livres de defeitos e desenvolveram um processo que fornece nanocircuitos padrão da indústria que podem ser reduzidos a densidades menores sem defeitos. Crédito:de Pablo et al.
Para imaginar como os copolímeros em bloco se juntam, pode ser útil imaginar uma paisagem energética consistindo de montanhas e vales, onde alguns vales são mais profundos do que outros. O sistema prefere estabilidade sem defeitos, que pode ser caracterizado pelos vales mais profundos (de baixa energia), se eles podem ser encontrados. Contudo, sistemas podem ficar presos dentro de vales mais altos (energia média), chamados estados metaestáveis, quais têm mais defeitos.
Para passar de um estado metaestável para estável, as moléculas de copolímero em bloco devem encontrar maneiras de escalar as montanhas e encontrar vales de menor energia.
"As moléculas nesses estados metaestáveis são confortáveis, e eles podem permanecer nesse estado por períodos extraordinariamente longos de tempo, "disse de Pablo, da Universidade de Chicago e do Instituto de Engenharia Molecular de Argonne." Para escapar de tais estados e obter um arranjo perfeito, eles precisam começar a se reorganizar de uma maneira que permita que o sistema ultrapasse as barreiras de energia locais, antes de atingir um mínimo de energia inferior. O que fizemos neste trabalho foi prever o caminho que essas moléculas devem seguir para encontrar estados livres de defeitos e projetar um processo que fornece nanocircuitos padrão da indústria que podem ser reduzidos a densidades menores sem defeitos. "
Usando uma concessão INCITE, de Pablo e sua equipe usaram os supercomputadores Mira e Fusion no Argonne Leadership Computing Facility, um DOE Office of Science User Facility. Lá, a equipe gerou simulações moleculares de polímeros em bloco de automontagem, juntamente com sofisticados algoritmos de amostragem para calcular onde as barreiras ao rearranjo estrutural surgiriam no material.
Depois que todos os cálculos foram feitos, os pesquisadores puderam prever com precisão os caminhos do rearranjo molecular que os copolímeros em bloco devem seguir para passar de um estado metaestável para o estável. Eles também podem fazer experiências com temperaturas, solventes e campos aplicados para manipular e diminuir ainda mais as barreiras entre esses estados.
Para testar esses cálculos, de Pablo e Nealey se associaram ao IMEC, um consórcio internacional localizado na Bélgica. Seus instrumentos de fabricação e caracterização de nível comercial ajudaram os pesquisadores a realizar experimentos em condições que não estão disponíveis em laboratórios acadêmicos. Um defeito individual mede apenas alguns nanômetros; "encontrar um defeito em uma área de 100 centímetros quadrados é como encontrar uma agulha em uma pilha de feno, e existem apenas alguns lugares no mundo onde se tem acesso ao equipamento necessário para fazê-lo, "diz de Pablo.
"Os fabricantes há muito tempo exploram a viabilidade de usar a montagem de copolímero em bloco para alcançar as pequenas dimensões críticas que são exigidas pela computação moderna e densidades de armazenamento de dados mais altas, "disse de Pablo." O maior desafio deles envolvia avaliar defeitos; seguindo as estratégias que delineamos, esse desafio é bastante reduzido. "
John Neuffer, presidente e CEO da Semiconductor Industry Association (SIA), diz que a indústria está incansavelmente focada em projetar e construir chips menores, mais potente e com maior eficiência energética. "A chave para desbloquear a próxima geração de inovação em semicondutores é a pesquisa, "disse ele." A SIA elogia o trabalho realizado pelo Laboratório Nacional Argonne e pela Universidade de Chicago, bem como outras pesquisas científicas críticas sendo feitas nos Estados Unidos. "
De Pablo, Nealey e sua equipe continuarão suas investigações com uma classe mais ampla de materiais, aumentando a complexidade dos padrões e caracterizando os materiais em mais detalhes, ao mesmo tempo em que desenvolve métodos baseados na automontagem para a fabricação de estruturas tridimensionais.
Seu objetivo de longo prazo, com o apoio do Office of Science do DOE, é chegar a uma compreensão da automontagem dirigida de moléculas poliméricas que permitirá a criação de amplas classes de materiais com controle requintado sobre sua nanoestrutura e funcionalidade para aplicações na captação de energia, armazenamento e transporte.
