En el IBM T.J. Centro de Investigación Watson en Yorktown Heights, NUEVA YORK., escondido entre escritorios de oficina y salas de reuniones, hay aproximadamente 40, 000 pies cuadrados de espacio de sala limpia que comprende el Laboratorio de Investigación de Microelectrónica (MRL). Estas salas limpias consisten en herramientas altamente sofisticadas dirigidas por un equipo calificado de ingenieros y científicos que pasan sus días procesando obleas de silicio tras obleas de silicio. y fabricarlos en transistores y dispositivos semiconductores, que son los cerebros de los circuitos integrados. Para poner esto en perspectiva, los últimos teléfonos inteligentes tienen miles de millones de estos pequeños transistores dentro de solo uno de ellos.

Todavía, Los equipos de científicos de IBM Research no están fabricando estos transistores para los teléfonos inteligentes de hoy. Bastante, tienen la vista puesta en el futuro:están ocupados experimentando con prototipos de chips y dispositivos informáticos de próxima generación. Hoy en día, su investigación se centra en superar los límites de la tecnología del silicio y la Ley de Moore, incluido el desarrollo de dispositivos lógicos y de memoria de próxima generación para escalar dispositivos informáticos convencionales al nodo de 7 nm y más allá, así como la fabricación de nuevas soluciones cognitivas y cuánticas que serán el futuro de los sistemas informáticos.

De hecho, más reciente, el dispositivo de 5 qubit que forma parte de IBM Quantum Experience se fabricó directamente en el IBM Research MRL. La creación de nuevas tecnologías como la computación cuántica es el objetivo del MRL de IBM y para desarrollar nuevos dispositivos basados ​​en estas tecnologías, los investigadores necesitan capacidades muy avanzadas.

Un ejemplo de las instalaciones avanzadas en el MRL es una herramienta de proceso de semiconductores de Tokyo Electron Limited (TEL) que proporciona una capacidad única de grabado por plasma. Esta herramienta desarrolla los procesos necesarios para modelar y evaluar nuevos dispositivos y arquitecturas que constan de una amplia gama de materiales complejos, incluidos III-V, nanotubos de carbono y materiales magnéticos novedosos para la tecnología MRAM de par de transferencia de espín no volátil.

Los pasos para fabricar estos nuevos tipos de estructuras comienzan con la carga de obleas de silicio en la herramienta de proceso. Aunque muchos dispositivos nuevos fabricados con materiales novedosos como nanotubos de carbono o grafeno, son introducidos, todos ellos están construidos sobre una base de silicona. Las condiciones de la sala limpia requieren que los científicos usen overoles o "trajes de conejito" que cubran la mayor parte de su cuerpo para evitar cualquier riesgo de contaminación de las obleas por polvo o aceite. Los brazos robóticos mueven las obleas desde la cámara de carga a la cámara de plasma donde se procesan utilizando gases controlados y energía. en condiciones de vacío ultra alto. Esto se hace mediante la exposición de la oblea a la fase plasmática. Antes de esta etapa, las obleas solo se modelan mediante litografía que se volverá permanente después de la exposición dentro del reactor de plasma.

¿Qué sucede durante la fase plasmática? Según Sebastian Engelmann, gerente del Grupo de Procesamiento de Plasma Avanzado en IBM Research, "Básicamente, esto significa que los investigadores encienden un 'fuego' de plasma en el reactor, que a menudo brilla como una llama y 'quema' el patrón original en la oblea. Sin embargo, la característica clave de esta nueva fuente de plasma es que quema el material sin dejar cenizas ".

A través de los años, el trabajo del equipo ha pasado del nivel micro al nivel nano, siguiendo la tendencia de la miniaturización. Como resultado, el proceso de grabado ha tenido que alcanzar dimensiones de escala atómica, y hoy el equipo está desarrollando nuevas técnicas de grabado de capa atómica (ALE). "A medida que escalamos nuestras tecnologías y avanzamos hacia estructuras y dispositivos avanzados, el nivel de precisión que uno necesita al grabar en sustratos de silicio tiene que ser extremadamente alto, "dijo Eric Joseph, gerente senior e investigador científico de tecnología de procesos unitarios y materiales avanzados en IBM. "Tenemos que grabar el material y detenernos con una precisión de nivel angstrom".

Para ponerlo en perspectiva, cuando un automóvil frena, no se detiene inmediatamente cuando se pisa el pedal del freno. Se necesita una cierta distancia antes de que el automóvil se detenga por completo. El rendimiento de un juego de frenos en un automóvil es la medida de la distancia que se necesita para reducir la velocidad y detenerse. "Cuando se trata de grabar nuevos dispositivos, debemos detenernos en un centavo y no consumir más materiales. Esto es increíblemente importante para los nanotubos de carbono, grafeno y materiales 2D, ya que su propio grosor está en la región de dos a tres angstroms, "Dijo Joseph.

ALE ofrece la capacidad de grabar (eliminar) una capa de átomos a la vez de un sustrato sin alterar o dañar las capas subyacentes o cambiar sus propiedades. Hay varios enfoques para ALE y el equipo de IBM Research ha estado explorando múltiples métodos, junto con TEL y otros socios, para lograr esta capacidad para una variedad de diferentes combinaciones de materiales.

En julio, IBM Research MRL presentará sus últimos resultados en el 3er Taller Internacional sobre Grabado de Capa Atómica, en Dublín, Irlanda en la que exploran un enfoque tan prometedor que incorpora plasmas generados por haz de electrones. El trabajo destaca la capacidad de permitir el procesamiento de ultra alta precisión de materiales atómicamente delgados como nanotubos de carbono y / o grafeno.