En utilisant les ressources de supercalcul de l'Argonne Leadership Computing Facility, Des chercheurs de l'Université de Chicago et d'Argonne ont trouvé un moyen de miniaturiser les composants des micropuces en utilisant une technique produisant zéro défaut. Cette avancée permettra aux fabricants de semi-conducteurs de respecter les dates cibles de miniaturisation pour produire des composants plus petits avec des fonctionnalités supplémentaires pour nos appareils préférés. Crédit :de Pablo et al.
Les dates cibles sont critiques lorsque l'industrie des semi-conducteurs ajoute de petits, des fonctionnalités améliorées à nos appareils préférés en intégrant des matériaux avancés sur les surfaces des puces informatiques. Manquer une cible signifie reporter la sortie d'un appareil, qui pourrait coûter à une entreprise des millions de dollars ou, pire, la perte de compétitivité et de toute une industrie. Mais respecter les dates cibles peut être difficile car les appareils intégrés finaux, qui comprennent des milliards de transistors, doit être impeccable - moins d'un défaut par 100 centimètres carrés.
Des chercheurs de l'Université de Chicago et du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis, dirigé par Juan de Pablo et Paul Nealey, a peut-être trouvé un moyen pour l'industrie des semi-conducteurs d'atteindre les objectifs de miniaturisation à temps et sans défauts.
Pour fabriquer des puces électroniques, La technique de de Pablo et Nealey comprend la création de motifs sur des surfaces semi-conductrices qui permettent aux molécules de copolymère séquencé de s'auto-assembler en des formes spécifiques, mais plus mince et à des densités beaucoup plus élevées que celles du modèle original. Les chercheurs peuvent ensuite utiliser une technique de lithographie pour créer des nano-tranchées où des matériaux de fils conducteurs peuvent être déposés.
Il s'agit d'un contraste frappant avec la pratique de l'industrie consistant à utiliser des homopolymères dans des formulations de « photoresist » complexes, où les chercheurs ont « heurté un mur, " incapable de rendre le matériau plus petit.
Avant de pouvoir développer leur nouvelle méthode de fabrication, cependant, de Pablo et Nealey avaient besoin de comprendre exactement comment les copolymères séquencés s'auto-assemblent lorsqu'ils sont appliqués sur une surface à motifs - leur préoccupation étant que certaines contraintes provoquent l'assemblage des nanostructures de copolymères dans des états métastables indésirables. Pour atteindre le niveau de perfection exigé pour fabriquer des nanocircuits de haute précision, l'équipe a dû éliminer certains de ces états métastables.
Des chercheurs de l'Université de Chicago et d'Argonne utilisent les ressources de supercalcul de l'Argonne Leadership Computing Facility pour prédire le chemin que les molécules doivent suivre pour trouver des états sans défaut et ont conçu un processus qui fournit des nanocircuits aux normes de l'industrie qui peuvent être réduits à des densités plus petites sans défauts. Crédit :de Pablo et al.
Pour imaginer comment s'assemblent les copolymères à blocs, il peut être utile d'imaginer un paysage énergétique composé de montagnes et de vallées où certaines vallées sont plus profondes que d'autres. Le système préfère une stabilité sans défaut, qui peut être caractérisée par les vallées les plus profondes (à faible énergie), s'ils peuvent être trouvés. Cependant, les systèmes peuvent être piégés dans des vallées plus élevées (énergie moyenne), appelés états métastables, qui ont plus de défauts.
Pour passer d'un état métastable à un état stable, les molécules de copolymère séquencé doivent trouver des moyens de gravir les montagnes et de trouver des vallées à plus faible énergie.
"Les molécules dans ces états métastables sont confortables, et ils peuvent rester dans cet état pendant des périodes de temps extraordinairement longues, " a déclaré de Pablo de l'Institut d'ingénierie moléculaire de l'Université de Chicago et d'Argonne. " Afin d'échapper à de tels états et d'atteindre un arrangement parfait, ils doivent commencer à se réorganiser de manière à permettre au système de franchir les barrières énergétiques locales, avant d'atteindre un minimum d'énergie inférieur. Ce que nous avons fait dans ce travail, c'est prédire le chemin que ces molécules doivent suivre pour trouver des états sans défaut et conçu un processus qui fournit des nanocircuits standard de l'industrie qui peuvent être réduits à des densités plus petites sans défauts. »
Grâce à une subvention INCITE, de Pablo et son équipe ont utilisé les supercalculateurs Mira et Fusion de l'Argonne Leadership Computing Facility, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Là, l'équipe a généré des simulations moléculaires de polymères séquencés auto-assemblés ainsi que des algorithmes d'échantillonnage sophistiqués pour calculer où les obstacles au réarrangement structurel surgiraient dans le matériau.
Une fois tous les calculs effectués, les chercheurs ont pu prédire avec précision les voies de réarrangement moléculaire que doivent emprunter les copolymères à blocs pour passer d'un état métastable à un état stable. Ils pourraient également expérimenter avec les températures, solvants et champs appliqués pour manipuler et réduire davantage les barrières entre ces états.
Pour tester ces calculs, de Pablo et Nealey se sont associés à IMEC, un consortium international situé en Belgique. Leurs instruments de fabrication et de caractérisation de qualité commerciale ont aidé les chercheurs à effectuer des expériences dans des conditions qui ne sont pas disponibles dans les laboratoires universitaires. Un défaut individuel ne mesure qu'une poignée de nanomètres; "trouver un défaut dans une zone de 100 centimètres carrés, c'est comme trouver une aiguille dans une botte de foin, et il n'y a que peu d'endroits dans le monde où l'on a accès à l'équipement nécessaire pour le faire, " dit de Pablo.
« Les fabricants explorent depuis longtemps la possibilité d'utiliser l'assemblage de copolymères séquencés pour atteindre les petites dimensions critiques exigées par l'informatique moderne et les densités de stockage de données plus élevées, " a déclaré de Pablo. " Leur plus grand défi consistait à évaluer les défauts; en suivant les stratégies que nous avons décrites, ce défi est grandement diminué.
Jean Neuffer, président-directeur général de la Semiconductor Industry Association (SIA), affirme que l'industrie se concentre sans relâche sur la conception et la fabrication de puces plus petites, plus puissant et plus économe en énergie. "La clé pour déverrouiller la prochaine génération d'innovation dans les semi-conducteurs est la recherche, " at-il dit. " SIA salue le travail effectué par Argonne National Laboratory et l'Université de Chicago, ainsi que d'autres recherches scientifiques critiques en cours aux États-Unis. »
De Pablo, Nealey et son équipe continueront leurs investigations avec une classe de matériaux plus large, accroître la complexité des motifs et caractériser les matériaux plus en détail tout en développant des méthodes basées sur l'auto-assemblage pour la fabrication de structures tridimensionnelles.
Leur objectif à long terme, avec le soutien du Bureau des sciences du DOE, est d'arriver à une compréhension de l'auto-assemblage dirigé de molécules polymères qui permettra la création de larges classes de matériaux avec un contrôle exquis sur leur nanostructure et leur fonctionnalité pour des applications dans la récupération d'énergie, stockage et transport.
