Usando los recursos de supercomputación en Argonne Leadership Computing Facility, Los investigadores de la Universidad de Chicago y Argonne han encontrado una manera de miniaturizar los componentes del microchip utilizando una técnica que produce cero defectos. Este avance permitirá a los fabricantes de semiconductores cumplir con las fechas objetivo de miniaturización para producir componentes más pequeños con funcionalidad adicional para nuestros dispositivos favoritos. Crédito:de Pablo et al.
Las fechas objetivo son críticas cuando la industria de los semiconductores agrega pequeños funciones mejoradas para nuestros dispositivos favoritos mediante la integración de materiales avanzados en las superficies de los chips de computadora. Perder un objetivo significa posponer el lanzamiento de un dispositivo, que podría costar a una empresa millones de dólares o, peor, la pérdida de competitividad y toda una industria. Pero cumplir con las fechas objetivo puede ser un desafío porque los dispositivos integrados finales, que incluyen miles de millones de transistores, debe ser impecable:menos de un defecto por cada 100 centímetros cuadrados.
Investigadores de la Universidad de Chicago y del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU., dirigido por Juan de Pablo y Paul Nealey, puede haber encontrado una manera para que la industria de los semiconductores alcance los objetivos de miniaturización a tiempo y sin defectos.
Para hacer microchips, La técnica de Pablo y Nealey incluye la creación de patrones en superficies semiconductoras que permiten que las moléculas de copolímero en bloque se autoensamblen en formas específicas, pero más delgados y con densidades mucho más altas que las del patrón original. Luego, los investigadores pueden usar una técnica de litografía para crear nano-trincheras donde se pueden depositar materiales de alambre conductores.
Este es un marcado contraste con la práctica de la industria de usar homopolímeros en formulaciones complejas "fotorresistentes", donde los investigadores han "chocado contra una pared, "incapaz de hacer el material más pequeño.
Antes de que pudieran desarrollar su nuevo método de fabricación, sin embargo, de Pablo y Nealey necesitaban comprender exactamente cómo los copolímeros de bloque se autoensamblan cuando se recubren sobre una superficie estampada; su preocupación es que ciertas restricciones causan que las nanoestructuras de copolímeros se ensamblen en estados metaestables no deseados. Para alcanzar el nivel de perfección requerido para fabricar nanocircuitos de alta precisión, el equipo tuvo que eliminar algunos de estos estados metaestables.
Investigadores de la Universidad de Chicago y Argonne utilizan los recursos de supercomputación en Argonne Leadership Computing Facility para predecir el camino que deben seguir las moléculas para encontrar estados libres de defectos y diseñaron un proceso que ofrece nanocircuitos estándar de la industria que se pueden escalar a densidades más pequeñas sin defectos. Crédito:de Pablo et al.
Para imaginar cómo se ensamblan los copolímeros de bloque, Puede ser útil imaginar un paisaje energético formado por montañas y valles donde algunos valles son más profundos que otros. El sistema prefiere una estabilidad sin defectos, que puede caracterizarse por los valles más profundos (de baja energía), si se pueden encontrar. Sin embargo, los sistemas pueden quedar atrapados dentro de valles más altos (energía media), llamados estados metaestables, que tienen más defectos.
Para pasar de un estado metaestable a uno estable, Las moléculas de copolímero de bloque deben encontrar formas de escalar montañas y encontrar valles de menor energía.
"Las moléculas en estos estados metaestables son cómodas, y pueden permanecer en ese estado durante períodos de tiempo extraordinariamente largos, "dijo de Pablo de la Universidad de Chicago y del Instituto de Ingeniería Molecular de Argonne." Para escapar de tales estados y lograr una disposición perfecta, necesitan comenzar a reorganizarse de una manera que permita al sistema escalar las barreras energéticas locales, antes de alcanzar un mínimo de energía más bajo. Lo que hemos hecho en este trabajo es predecir el camino que deben seguir estas moléculas para encontrar estados libres de defectos y diseñamos un proceso que ofrece nanocircuitos estándar de la industria que se pueden reducir a densidades más pequeñas sin defectos ".
Utilizando una subvención INCITE, de Pablo y su equipo utilizaron las supercomputadoras Mira y Fusion en Argonne Leadership Computing Facility, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Allí, El equipo generó simulaciones moleculares de polímeros de bloques autoensamblables junto con sofisticados algoritmos de muestreo para calcular dónde surgirían las barreras al reordenamiento estructural en el material.
Una vez realizados todos los cálculos, los investigadores pudieron predecir con precisión las vías de reordenamiento molecular que deben tomar los copolímeros de bloque para pasar de un estado metaestable a un estado estable. También podrían experimentar con temperaturas, solventes y campos aplicados para manipular aún más y disminuir las barreras entre estos estados.
Para probar estos cálculos, de Pablo y Nealey se asociaron con IMEC, un consorcio internacional ubicado en Bélgica. Sus instrumentos de fabricación y caracterización de calidad comercial ayudaron a los investigadores a realizar experimentos en condiciones que no están disponibles en los laboratorios académicos. Un defecto individual mide sólo un puñado de nanómetros; "encontrar un defecto en un área de 100 centímetros cuadrados es como encontrar una aguja en una pila de heno, y solo hay unos pocos lugares en el mundo donde se tiene acceso al equipo necesario para hacerlo, "dice de Pablo.
"Los fabricantes llevan mucho tiempo explorando la viabilidad de utilizar el ensamblaje de copolímeros en bloque para alcanzar las pequeñas dimensiones críticas que exigen la informática moderna y las densidades de almacenamiento de datos más altas". ", dijo de Pablo." Su mayor desafío consistió en evaluar los defectos; siguiendo las estrategias que hemos descrito, ese desafío ha disminuido enormemente ".
John Neuffer, presidente y director ejecutivo de la Asociación de la industria de semiconductores (SIA), dice que la industria está implacablemente centrada en diseñar y fabricar chips más pequeños, más potente y más eficiente energéticamente. "La clave para desbloquear la próxima generación de innovación en semiconductores es la investigación, ", dijo." SIA elogia el trabajo realizado por el Laboratorio Nacional Argonne y la Universidad de Chicago, así como otras investigaciones científicas críticas que se están realizando en los Estados Unidos ".
De Pablo, Nealey y su equipo continuarán sus investigaciones con una clase más amplia de materiales, aumentando la complejidad de los patrones y caracterizando los materiales con mayor detalle al tiempo que se desarrollan métodos basados en el autoensamblaje para la fabricación de estructuras tridimensionales.
Su objetivo a largo plazo, con el apoyo de la Oficina de Ciencias del DOE, es llegar a una comprensión del autoensamblaje dirigido de moléculas poliméricas que permitirá la creación de amplias clases de materiales con un control exquisito sobre su nanoestructura y funcionalidad para aplicaciones en la recolección de energía, almacenamiento y transporte.
