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Transistori 3D realizzati con autoassemblaggio molecolare
Sta prendendo forma un nuovo modo di costruire chip per computer che prevede la sintesi di molecole in modo che si assemblano automaticamente in strutture complesse, che poi fungono da modelli per incidere circuiti su scala nanometrica nel silicio. L'approccio potrebbe consentire all'industria dei computer di continuare a ridurre l'elettronica oltre la risoluzione dei macchinari di produzione esistenti. I ricercatori IBM sono stati i primi a realizzare veloci transistor 3-D utilizzando questo nuovo metodo.
Nel 2011, l'industria dei computer ha adottato transistor 3-D per circuiti integrati di fascia alta perché commutano più velocemente consumando meno energia rispetto a quelli planari (vedi How Three Dimensional Transistors Went from Lab to Fab ). Tali circuiti sono stati convenzionalmente realizzati tramite fotolitografia, lo stesso processo utilizzato per la maggior parte dei circuiti di computer. In questo processo, i wafer di silicio vengono rivestiti con un materiale fotosensibile chiamato photoresist, e quindi vengono esposti a un motivo creato facendo brillare la luce attraverso un filtro noto come maschera. Ovunque la luce colpisce, il fotoresist cura; il resto viene lavato via e il wafer viene quindi inciso chimicamente per creare caratteristiche nelle parti esposte della superficie.
Per i microchip più veloci, che hanno elementi piccoli come 22 nanometri e 80 nanometri di distanza, questo processo viene ripetuto circa 30 volte, afferma Kwok Ng , direttore della nanoproduzione presso la Semiconductor Research Corp. nella Carolina del Nord. Ogni passaggio richiede la propria costosa maschera e ogni passaggio aggiunge tempo al processo. La fotolitografia funzionerà per la prossima generazione di chip, con caratteristiche di 14 nanometri. Ma per chip più veloci con caratteristiche più piccole, la fotolitografia diventerà troppo costosa e complicata e incontrerà limiti determinati dalla lunghezza d'onda della luce.
Il gruppo IBM ha utilizzato un nuovo approccio noto come autoassemblaggio diretto, utilizzando una classe di materiali chiamati copolimeri a blocchi (le catene polimeriche sono costituite da due tipi di monomeri, o blocchi).
È possibile fare in modo che questi materiali si autoassemblano in modelli complessi, come una fila densamente imballata per strisce. Questo viene fatto adattando la lunghezza, le dimensioni e altre caratteristiche dei polimeri, come il modo in cui due blocchi si attraggono e si respingono l'un l'altro.
I modelli realizzati in questo modo possono essere molto più densi di quanto sia possibile utilizzando la litografia. Ciò significa che l'approccio può essere utilizzato per creare le parti più piccole, più dense e uniformi di un circuito integrato: ad esempio, i canali dei transistor al silicio o le alette dei transistor 3-D. Il resto del circuito sarebbe ancora formato usando i metodi convenzionali.
Il gruppo IBM ha utilizzato i metodi di fotolitografia esistenti per creare un prepattering di un rivestimento fotoresist per formare una serie di trincee profonde e parallele. Queste trincee aiutano quindi a dirigere l'assemblaggio dei copolimeri a blocchi, che sono disposti secondo schemi necessari per incidere le alette dei transistor che erano più piccole e più densamente impacchettate insieme di quanto sia possibile con la sola fotolitografia. I dispositivi funzionanti risultanti avevano caratteristiche vicine tra loro fino a 29 nanometri, molto più piccole degli 80 nanometri attualmente possibili.
Hanno usato questi polimeri non solo per creare graziosi modelli, ma per realizzare alcuni dispositivi funzionanti, afferma Caroline Ross , uno scienziato dei materiali al MIT che sta ricercando l'autoassemblaggio diretto. Hanno dimostrato un modo creativo per ottenere schemi che normalmente non si formerebbero.
L'autoassemblaggio diretto è già stato testato da alcuni produttori di chip, afferma Ng. Tuttavia, i copolimeri a blocchi tendono ad assemblarsi con alcuni difetti e resta da vedere se il processo può essere controllato abbastanza bene a grandi volumi.