Преподаватели Университета Далласа, сотрудники и промышленные партнеры объединили усилия для разработки и тестирования материалов на основе индия для производства следующего поколения компьютерных чипов.

Исследователи получили трехлетний грант в размере 1,9 млн долларов в рамках программы Национального научного фонда «Будущее полупроводников» (FuSe₂) для поддержки своей работы.

Финансирование UTD является частью грантов FuSe₂ на сумму $42,4 млн, объявленных в сентябре для поддержки целей федерального закона CHIPS (Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors) и Закона о науке от 2022 года.

Этот закон направлен на повышение энергоэффективности компьютерных чипов и содействие отечественному производству интегральных схем.

Повышение производительности компьютерных чипов

Внедряя материалы на основе индия, исследователи стремятся облегчить нанесение рисунка в крайнем ультрафиолетовом диапазоне (EUV). Паттернинг, или литография, — это ключевой этап процесса производства полупроводников, в ходе которого на поверхности пластины создаются узоры, служащие дорожками для транзисторов и других компонентов.

Переход от глубокого ультрафиолета к EUV-диапазону позволяет создавать более мелкие и точные элементы на компьютерных чипах для повышения производительности и энергоэффективности.

В ходе традиционного процесса нанесения рисунка при производстве компьютерных чипов кремниевые пластины покрываются съемным слоем материала, называемого фоторезистом, перед тем как подвергнуться воздействию ультрафиолетовых фотонов.

Следующее поколение литографии использует фотоны очень высокой энергии — 92 электронвольта — в области EUV. Из-за высокой энергии этих фотонов обычные материалы для фоторезиста не подходят.

Новые материалы исследователей также могут позволить производить 3D-схемы, которые создаются путем укладки слоев микросхем, как высотки в многолюдном городе.

Новые материалы необходимы для создания дополнительных слоев на 3D-чипе без нарушения существующих схем.

Улучшение полупроводниковых свойств без перегрева

Если вы создаете слой устройств поверх другого слоя устройств, вы не можете нагреть его до высокой температуры. Иначе вы разрушите существующие слои, — объясняет доктор Джулия Хсу, профессор материаловедения и инженерии и руководитель исследования.

Использование индийсодержащих материалов для EUV-фоторезиста и транзисторов должно привести к повышению эффективности компьютерных чипов за счет исключения одного из этапов производства интегральных схем, на котором используются растворители.

Исследователи тестируют технику, называемую фотонным отверждением, для преобразования EUV-структур в наноразмерные устройства.

Фотонное отверждение использует импульсы света высокой интенсивности, но низкой энергии для завершения химических реакций, которые позволяют оксиду индия достичь лучших полупроводниковых свойств без перегрева базовых устройств.

Внедрение машинного обучения в процесс

Предварительная работа Хсу над индийсодержащими материалами в качестве EUV-фоторезиста была поддержана грантом Semiconductor Research Corporation (SRC) на исследование новых материалов для компьютерных чипов.

Хсу также планирует внедрить машинное обучение — метод, которому она научилась при поддержке стипендии Pivot Foundation Simons Foundation 2023 года, — в методологию разработки и тестирования проекта.

Проект FuSe₂ позволит нам вывести предварительные результаты проекта SRC на гораздо более высокий уровень и увеличить влияние, — говорит Хсу.

Мы будем использовать вычисления и синтетическую химию, чтобы выйти за рамки коммерчески доступных в настоящее время материалов.

Основные направления сотрудничества в проекте

Соисследователи Хсу — доктор Кормак Тохер, доцент кафедры материаловедения и инженерии и специалист по вычислительным материалам, и доктор Кевин Бреннер, доцент кафедры материаловедения и инженерии.

Тохер займется разработкой индийсодержащих молекул, а Бреннер — изготовлением и тестированием устройств.

Проект также включает в себя подготовку кадров для полупроводниковой промышленности для студентов общественных колледжей через Северо-Техасский институт полупроводников UTD и класс, который Хсу будет преподавать в качестве погружения в полупроводниковую промышленность.

Ранее ученые сообщили о разработке фотонного чипа для коммуникационных сетей.