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Automontagem molecular: vêm aí os chips que se constroem sozinhos

Os componentes eletrônicos que formam os chips de computador estão ficando tão pequenos que, em breve, o processo utilizado para fabricá-los, que pouco mudou nos últimos 50 anos, não vai mais funcionar.

Uma das alternativas que os cientistas têm explorado é a criação de minúsculos circuitos usando moléculas que se organizam automaticamente em padrões funcionais - um processo conhecido como automontagem.

Em um artigo publicado nesta semana na revista Nature Nanotechnology, pesquisadores do MIT, nos Estados Unidos, deram um passo importante para tornar a automontagem de chips uma alternativa prática.

Em um artigo publicado nesta semana na revista Nature Nanotechnology, pesquisadores do MIT, nos Estados Unidos, deram um passo importante para tornar a automontagem de chips uma alternativa prática.

A curto prazo, a nova técnica poderá ser utilizada para produzir "carimbos" em nanoescala para gravar padrões magnéticos na superfície dos discos rígidos, ou mesmo para produzir as máscaras usadas na litografia convencional.[Imagem: Yeon Sik Jung/Joel Yang]

Fotolitografia
Atualmente, os chips são construídos camada por camada, por meio de um processo chamado fotolitografia. Uma camada de silício, metal ou algum outro material é depositada sobre uma pastilha e revestida com um material sensível à luz, chamado fotorresiste.

Ao atravessar uma espécie de stencil - uma "máscara" - a luz projeta sobre o fotorresiste uma sombra que é um modelo detalhado do circuito eletrônico que se quer construir. Onde a luz atinge o fotorresiste, ele endurece. A parte não endurecida é lavada com produtos químicos adequados, deixando o circuito "impresso" sobre a pastilha.
O problema é que os componentes que formam o chip - os transistores e outros componentes - já são significativamente menores do que o comprimento de onda da luz usada na sua construção. Os fabricantes têm desenvolvido vários truques para conseguir que a luz produza estruturas menores do que o seu próprio comprimento de onda, mas esses truques não vão funcionar em escalas cada vez menores.

Litografia por feixe de elétrons

A maneira mais óbvia de continuar miniaturizando os componentes eletrônicos que formam o chip seria utilizar feixes de elétrons para transferir os padrões impressos na máscara para a camada de fotorresiste.
Mas, ao contrário da luz, que permite expor um chip inteiro de uma vez, um feixe de elétrons tem que se mover para a frente e para trás ao longo de toda a superfície de um chip, traçando linhas paralelas, como uma colheitadeira trabalhando ao longo das ruas de uma lavoura.

"A diferença é a mesma entre escrever a mão e imprimir uma página de uma vez só," afirma Karl Berggren, que orientou o desenvolvimento da nova tecnologia em conjunto com sua colega Caroline Ross. A lentidão dos passos precisos da litografia por feixe de elétrons torna-a significativamente mais cara do que a litografia óptica convencional.

Copolímeros automontantes

A abordagem de Berggren e Ross consiste em usar a litografia por feixe de elétrons com parcimônia, apenas para criar minúsculos pilares sobre a pastilha de silício.

A seguir eles depositam sobre o chip polímeros especiais, grandes moléculas formadas pela repetição de unidades moleculares menores, ligadas entre si para formar longas cadeias. Espontaneamente, os polímeros se agarram aos pilares, formando padrões úteis, determinados pela disposição dos pilares.

A chave do processo é que os polímeros são "copolímeros", o que significa que eles são feitos de dois tipos diferentes de polímeros. Berggren compara uma molécula de copolímero aos personagens interpretados por Robert de Niro e Charles Grodin no filme Fuga à Meia-Noite (Midnight Run), no qual um caçador de recompensas e um criminoso de colarinho branco estão algemados juntos, mas um não consegue suportar o outro.

Em suas tentativas para se separar, os diferentes tipos de cadeia polimérica organizam-se em padrões previsíveis. Ao variar o comprimento das cadeias, as proporções dos dois polímeros, e a forma e a localização dos pilares de silício, os pesquisadores foram capazes de produzir uma grande variedade de padrões úteis para o design de circuitos eletrônicos.
Um dos dois polímeros que os pesquisadores do MIT utilizaram queima-se quando exposto a um plasma (um gás eletricamente carregado), enquanto o outro, que contém silício, transforma-se em vidro. A camada de vidro pode então exercer a mesma função que um fotorresiste exerce na litografia comum, protegendo o material que está por baixo dela, enquanto ao material ao seu redor é corroído pelos compostos químicos e retirado.

Pesquisadores já conseguiram fazer moléculas se automontar em todos os sete formatos definidos como básicos para a construção de circuitos eletrônicos. [Imagem: Yang et al./Nature Nanotechnology]

Sete formatos fundamentais

Dan Herr, diretor de pesquisa da Semiconductor Research Corporation, um consórcio entre indústria e academia, afirmou que, quatro ou cinco anos atrás, sua organização entrevistou engenheiros para determinar os formatos fundamentais que as moléculas auto-organizadoras teriam que ser capazes de assumir a fim de serem úteis para a fabricação de circuito eletrônicos.

O trabalho resultou em sete formatos fundamentais.
Desde então, pesquisadores já conseguiram fazer moléculas se automontar em todos os sete formatos. Mas, para fazer isso, eles "mudaram a química superficial ou escavaram uma trilha na superfície e a utilizaram como um canal para o processo de automontagem," explica Herr.

A nova técnica de Berggren e Ross não requer esses canais para orientar a automontagem das moléculas, o que reduz a necessidade da litografia por feixe de elétrons. De acordo com Herr, isso vai aumentar enormemente a eficiência com que os chips poderão ser fabricados.

Automontagem molecular

Contudo, será necessário fazer muitas pesquisas e alcançar novos desenvolvimentos antes que a automontagem molecular seja viável para a fabricação de chips individuais.

A curto prazo, Berggren e Ross vislumbram sua técnica sendo utilizada para produzir "carimbos" em nanoescala para gravar padrões magnéticos na superfície dos discos rígidos, ou mesmo para produzir as máscaras usadas na litografia convencional: hoje, as máscaras estado da arte para um único chip exigem o uso da litografia por feixe de elétrons e podem custar milhões de dólares cada uma.

Nesse meio tempo, a dupla está trabalhando para encontrar arranjos dos seus pilares em nanoescala capazes de produzir circuitos funcionais em escala de protótipo, e estão tentando aperfeiçoar a sua técnica para produzir componentes ainda menores.

Mário Serrano | Informátic12 | Larry Hardesty - MIT - 23/03/2010

Bibliografia:

Complex self-assembled patterns using sparse commensurate templates with locally varying motifs
Joel K. W. Yang, Yeon Sik Jung, Jae-Byum Chang, R. A. Mickiewicz, A. Alexander-Katz, C. A. Ross, Karl K. Berggren
Nature Nanotechnology
14 March 2010
Vol.: Published online before print
DOI: 10.1038/nnano.2010.30