Una técnica de fabricación que podría ayudar a la industria de semiconductores a fabricar chips de computadora más potentes comenzó en uno de los lugares más humildes: en una mesa de almuerzo en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE).
El método de síntesis de materiales conocido como síntesis de infiltración secuencial, o SIS, tiene el potencial de mejorar no solo la fabricación de chips, sino también cosas como el almacenamiento en discos duros, la eficiencia de las celdas solares, las superficies antirreflejantes en óptica y las ventanas de automóviles resistentes al agua. Inventado en 2010 durante una conversación durante el almuerzo entre los científicos de Argonne Seth Darling y Jeffrey Elam y dos de sus investigadores postdoctorales, el uso del método ha crecido en los últimos años.
El método se basó en la discusión del grupo sobre la deposición de capa atómica, o ALD, una técnica de deposición de películas delgadas que utiliza vapores químicos alternos para hacer crecer materiales una capa atómica a la vez. Darling, director del Instituto de Ingeniería Molecular en Argonne y del Centro de Investigación de Frontera Energética de Materiales Avanzados para Sistemas de Energía-Agua, recientemente utilizó esta técnica para agregar un recubrimiento de óxido metálico hidrófilo a los filtros utilizados en la industria petrolera y del gas natural, lo que evita que los filtros se obstruyan.
Pero mientras el grupo conversaba, comenzaron a especular sobre llevar ALD a un nuevo nivel, dijo Darling.
“Nos dijimos: ‘¿No sería genial si pudiéramos hacer crecer un material dentro de otro material como un polímero (una cadena de muchas moléculas combinadas) en lugar de encima de él?’”, dijo Darling. “Primero pensamos ‘Esto no va a funcionar’, pero, sorprendentemente, funcionó perfectamente en el primer intento. Luego comenzamos a imaginar todas las diferentes aplicaciones para las que podría usarse”.
La investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias del DOE, el Programa de Ciencias Energéticas Básicas, así como por el Centro de Investigación de Energía Solar Argonne-Northwestern, un Centro de Investigación de Frontera Energética financiado por la Oficina de Ciencias del DOE.
SIS es similar a ALD en una superficie de polímero, pero en SIS el vapor se difunde dentro del polímero en lugar de encima de él, donde se une químicamente al polímero y finalmente crece para crear estructuras inorgánicas en toda la masa del polímero.
Mediante esta técnica, los científicos pueden crear recubrimientos resistentes que pueden ayudar a la industria de fabricación de semiconductores a grabar características más intrincadas en los chips de computadora, permitiendo que se vuelvan aún más pequeños o que se agreguen almacenamiento adicional y otras capacidades. También pueden moldear la forma de varios metales, óxidos y otros materiales inorgánicos aplicándolos a un polímero con SIS y luego eliminando los restos del polímero.
“Puedes tomar un patrón en un polímero, exponerlo a vapores y transformarlo de un material orgánico a un material inorgánico”, dijo Elam, director del programa de investigación de ALD en Argonne, refiriéndose a la forma en que el método puede utilizar polímeros y un vapor para básicamente moldear un nuevo material con propiedades específicas. “Es una forma de utilizar un patrón de polímero y convertir ese patrón en prácticamente cualquier material inorgánico”.
El potencial de la tecnología va más allá de los semiconductores. Podría usarse para avanzar en productos de diferentes industrias, y Argonne estaría encantado de trabajar con socios de comercialización que puedan tomar la invención e incorporarla en productos existentes o inventar nuevas aplicaciones para beneficiar a la economía estadounidense, dijo Hemant Bhimnathwala, un ejecutivo de desarrollo empresarial en Argonne.
“Puedes usar SIS para crear una película, puedes colocarla en un metal, puedes crear esto en vidrio o colocarla en una ventana de vidrio para hacerla repelente al agua hasta el punto de que no necesites limpiaparabrisas”, dijo Bhimnathwala.
La forma en que los científicos inventaron la técnica, a través de esa reunión de almuerzo, también fue un poco inusual. Los nuevos descubrimientos suelen surgir por accidente, pero no usualmente al lanzar ideas durante el almuerzo, dijo Elam.
“Ocasionalmente, si observas atentamente, puedes ver algo más allí y descubrir algo nuevo e inesperado”, dijo Elam. “Eso no sucede muy a menudo, pero cuando ocurre, es genial”.
La técnica también aborda una preocupación específica en la industria de fabricación de semiconductores: el colapso de patrones, lo que significa el colapso de características diminutas utilizadas para crear componentes eléctricos en un chip de computadora, lo que lo vuelve inútil.
Cuando se graba un patrón en un chip de silicio en el proceso de fabricación de chips, se utiliza una superficie resistente al grabado como recubrimiento protector para enmascarar aquellas regiones que no se desea eliminar. Pero los recubrimientos resistentes al grabado comúnmente utilizados hoy en día se desgastan muy rápidamente, lo que ha impedido a los fabricantes de chips hacer componentes con características profundamente grabadas, dijo Darling.
Con SIS, los recubrimientos de vapor inorgánico pueden diseñarse para proporcionar mayor protección de las características verticales, permitiendo grabados más profundos y la integración de más componentes en cada chip.
“Las características en los chips se han vuelto extremadamente pequeñas lateralmente, pero a veces también quieres hacerlas altas”, dijo Darling. “No puedes hacer una característica alta si tu resistencia se graba rápidamente, pero con SIS es fácil”.
De manera similar, la técnica puede utilizarse para manipular la grabación magnética en discos duros u otros dispositivos de almacenamiento, permitiéndoles aumentar el almacenamiento mientras también se vuelven más pequeños, dijo Darling.
Otra posibilidad para la tecnología es controlar cuánta luz rebota sobre una superficie de vidrio o plástico. Utilizando SIS, los científicos pueden diseñar superficies que sean casi completamente antirreflejantes. Usando esta estrategia, los científicos pueden mejorar el rendimiento de las celdas solares, los LED e incluso los anteojos.
“También hay muchas aplicaciones en electrónica”, dijo Elam. “Puedes usarla para comprimir más memoria en un espacio más pequeño, o para construir microprocesadores más rápidos. La litografía SIS es una estrategia prometedora para mantener el progreso tecnológico y la escala de la Ley de Moore”.
La investigación del equipo sobre la tecnología se ha publicado en el Journal of Materials Chemistry, el Journal of Physical Chemistry, Advanced Materials y el Journal of Vacuum Science & Technology B.
Argonne está buscando socios comerciales interesados en licenciar y desarrollar la tecnología para usos más específicos. Las empresas interesadas en aprovechar la experiencia de Argonne en SIS deben contactar a [email protected] para obtener más información y discutir posibles colaboraciones.
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