Reduzir o tamanho dos transistores e dos circuitos em geral sempre foi uma maneira fácil de aumentar o desempenho dos chips. Isso funcionou bem até que o tamanho dos componentes se aproximou da escala atômica. A física dos próprios materiais começou a falhar, com suas propriedades elétricas e físicas deixando de cumprir seu propósito original — transmitir sinais elétricos com precisão e controle total. Os dielétricos não foram exceção e também entraram em colapso.
Fonte da imagem: NUS
Cientistas de Singapura estão entre os que estudam o problema dos dielétricos e materiais isolantes para chips em escala atômica. Pesquisadores da Universidade Nacional de Singapura (NUS) criaram uma película de carbono ultrafina, com apenas 0,8 nm de espessura, que pode ajudar a reduzir ainda mais o tamanho dos chips de computador. E, o mais animador, eles compartilharam esse conhecimento com engenheiros da empresa taiwanesa TSMC nesta primavera, que estão trabalhando na adaptação do desenvolvimento para a produção industrial.
Surpreendentemente, o carbono amorfo exibiu uma combinação incomum de permissividade ultrabaixa, alta resistência mecânica e a capacidade de bloquear a difusão de átomos de metal — essencialmente um conjunto fundamental de propriedades que se tornam cruciais à medida que os microchips continuam a ser miniaturizados. Essa combinação pode abrir caminho para o futuro da fabricação de chips.
Um dos desafios enfrentados pelos processadores modernos reside não apenas na redução do tamanho dos transistores, mas também na crescente complexidade do sistema de fiação — as conexões metálicas entre eles. Dentro de chips de última geração, bilhões de transistores são conectados por fios de cobre ultrafinos, cuja distância entre eles está em constante redução. Se a densidade de conexão for muito alta, ocorre capacitância parasita: linhas adjacentes começam a influenciar umas às outras, aumentando o consumo de energia e diminuindo a velocidade de transmissão do sinal. Para resolver esse problema, são necessários isolantes com permissividade muito baixa (materiais de baixa constante dielétrica – low-k), mas os dielétricos porosos convencionais perdem a estabilidade mecânica com uma espessura de poucos nanômetros e não podem ser…usado posteriormente.
O material proposto pelos cientistas é um carbono amorfo com predominância de ligações sp2. Mesmo com uma espessura de apenas 0,8 nm, ele mantém uma permissividade de aproximadamente 1,35 — um valor próximo ao do vácuo (1,0). O filme pode suportar campos elétricos de 28–31 MV/cm, superando significativamente o desempenho de alguns isolantes ultrafinos promissores, como o nitreto de boro amorfo. Uma vantagem adicional é sua alta dureza — aproximadamente 100 GPa, cerca de uma ordem de magnitude maior que a do dióxido de silício tradicional.
Além de isolar condutores adjacentes, o filme de carbono pode atuar como uma camada de barreira contra a migração de metais. Em chips modernos, uma camada separada de nitreto de tântalo é normalmente necessária para impedir que o cobre penetre nos materiais circundantes, mas isso ocupa um espaço valioso. O novo material de carbono combina ambas as funções: reduz a capacitância parasita e, simultaneamente, impede o movimento de íons metálicos. Testes demonstraram que mesmo uma camada de 0,8 nm de espessura é 100 vezes superior às propriedades de barreira do nitreto de tântalo, amplamente utilizado na fabricação de chips modernos.
Também é promissor que o filme de carbono possa ser criado a uma temperatura relativamente baixa de 300 °C usando deposição química de vapor, e não apenas em um substrato plano, mas também em todas as irregularidades e reentrâncias, criando potencial para a montagem de chips 3D. É possível que a TSMC, como a principal fabricante mundial de semicondutores, seja a primeira a aplicar essa tecnologia na prática, mas até agora isso só foi feito em estudos de laboratório com wafers de pequeno diâmetro.Resta saber se essa tecnologia se provará eficaz em larga escala.