Revolucionando la Computación: El Auge de los Chips Semiconductores a Escala Atómica

La era de la información creada durante casi 60 años ha dado al mundo internet, teléfonos inteligentes y computadoras ultrarrápidas. Hacer esto posible ha sido el doble del número de transistores que pueden empaquetarse en un chip de computadora aproximadamente cada dos años, dando lugar a miles de millones de transistores a escala atómica que ahora caben en un chip del tamaño de una uña. Tales longitudes de "escala atómica" son tan diminutas que átomos individuales pueden verse y contarse en ellos.

Con este doble ahora acercándose rápidamente a un límite físico, el Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) se ha unido a esfuerzos de la industria para extender el proceso y desarrollar nuevas formas de producir chips cada vez más capaces, eficientes y rentables. Científicos del laboratorio han predicho ahora con precisión, mediante modelado, un paso clave en la fabricación de chips a escala atómica en el primer estudio de PPPL bajo un Acuerdo de Investigación y Desarrollo Cooperativo (CRADA) con Lam Research Corp., un proveedor mundial de equipos de fabricación de chips.

"Esto sería una pequeña pieza en todo el proceso", dijo el Profesor David Graves, director asociado de laboratorio para interacciones de superficies de plasma de baja temperatura y coautor de un artículo que describe los hallazgos en el Journal of Vacuum Science & Technology B. Los insights ganados a través del modelado, dijo, "pueden llevar a todo tipo de cosas buenas, y por eso este esfuerzo en el Laboratorio tiene algo de promesa."

Aunque el encogimiento no puede continuar mucho más, "no ha llegado completamente a su fin", dijo. "La industria ha tenido éxito hasta la fecha usando principalmente métodos empíricos para desarrollar nuevos procesos innovadores, pero un entendimiento fundamental más profundo acelerará este proceso. Los estudios fundamentales toman tiempo y requieren experiencia que la industria no siempre tiene", dijo. "Esto crea un fuerte incentivo para que los laboratorios asuman el trabajo."

Los científicos de PPPL modelaron lo que se llama "grabado de capa atómica" (ALE), un paso de fabricación cada vez más crítico que apunta a remover capas atómicas individuales de una superficie una a la vez. Este proceso puede usarse para grabar estructuras tridimensionales complejas con dimensiones críticas miles de veces más delgadas que un cabello humano en una película en un wafer de silicio.

"Las simulaciones básicamente concordaron con experimentos como primer paso, y podrían llevar a mejor entendimiento del uso de ALE para grabado a escala atómica", dijo Joseph Vella, becario postdoctoral en PPPL y autor principal del artículo del journal. El entendimiento mejorado permitirá a PPPL investigar cosas como la extensión de daño en superficie y el grado de rugosidad desarrollado durante ALE, dijo, "y todo esto comienza con construir nuestro entendimiento fundamental del grabado de capa atómica."

El modelo simuló el uso secuencial de gas cloro y iones de plasma de argón para controlar el proceso de grabado de silicio a escala atómica. Plasma —gas ionizado— es una mezcla que consiste en electrones libres, iones cargados positivamente y moléculas neutras. El plasma usado en procesamiento de dispositivos semiconductores está cerca de temperatura ambiente, en contraste con el plasma ultra-caliente usado en experimentos de fusión.

"Un hallazgo empírico sorpresivo de Lam Research fue que el proceso ALE se volvió particularmente efectivo cuando las energías de iones eran bastante más altas que las con las que empezamos", dijo Graves. "Así que ese será nuestro siguiente paso en las simulaciones —ver si podemos entender qué pasa cuando la energía de iones es mucho más alta y por qué es tan buena."

De cara al futuro, "la industria semiconductora en su conjunto está contemplando una expansión mayor en los materiales y tipos de dispositivos a usar, y esta expansión también tendrá que procesarse con precisión a escala atómica", dijo. "La meta de EE. UU. es liderar el mundo en usar ciencia para abordar problemas industriales importantes", dijo, "y nuestro trabajo es parte de eso."