Deve esserci una qualche legame tra il mondo dei semiconduttori e la pasticceria: perché va bene parlare di wafer di silicio, ma nessuno si sarebbe aspettato un microonde di chip biscottati. Eppure James Hwang, docente del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Cornell University, è l'autore insieme ad altri colleghi di un progetto di ricerca che rivoluzionerà il modo in cui verranno realizzati i semiconduttori di domani. Un domani però non troppo lontano perché l'ultimo chip (in realtà un System-on-chip) dell'iPhone 14, che si chiama A16 Bionic, è stato realizzato dal fornitore Tsmc con un processo produttivo a 4 nanomentri. Secondo Hwang la nuova tecnica dovrebbe consentire "a produttori leader come Tsmc e Samsung di ridimensionare a soli 2 nanometri".
In pratica lo sviluppo del settore punta a incrementare la microminiaturizzazione poiché a parità di superficie si possono disporre più transistor e quindi di conseguenza aumentare la "potenza" di calcolo. Il problema però è che le attuali tecniche produttive basate suli rapid thermal annealer (trad. ricottura termica rapida), come ci spiega l'ingegnere Gianluca Fabi, ricercatore post-dottorato alla Cornell, oltre una certa soglia non assicurano i risultati sperati e quindi bisogna individuare delle alternative. Il microonde è una possibilità, soprattutto per ciò che oggi viene etichettato come next generation semiconductor - i semiconduttori di nuova generazione insomma.
Davvero ha usato un microonde domestico?
Il professor Hwang, il dottorando Chandrasekhar Savant, il post-dottorato Mohammed Javad Asadi e gli altri otto ricercatori che hanno firmato la ricerca pubblicata su Applied Physics Letters hanno davvero impiegato un comune microonde parzialmente modificato per dimostrare la loro teoria. Ma ovviamente per una produzione industriale bisognerà usare macchinari capaci di operare su larga scala.
Il tema centrale è che la produzione dei materiali che compongono i transistor e altri elementi dei microchip ricorda molto la cottura in forno: si mixano diversi ingredienti e poi si procede con il riscaldamento. “Biscottare” è un po' una diminutio perché in realtà a differenza della tradizione - gli antichi biscoctum, cotti due volte - qui si cuoce a più riprese, in relazione alla tipologia di chip che si vuole ottenere.
"Ad esempio il fosforo viene aggiunto al silicio e la miscela ottenuta viene ricotta, o riscaldata, per posizionare correttamente gli atomi di fosforo in modo che siano attivi per la conduzione di corrente", spiega il direttore associato del marketing e della comunicazione per il College of Engineering, Syl Kacapyr. Fin qui la procedura è collaudata, ma con la riduzione dei processi produttivi il silicio ha bisogno di essere miscelato con concentrazioni sempre più elevate di fosforo per raggiungere il livello di corrente desiderato. Fabi, che si è occupato soprattutto del design dei componenti del microonde ed è coinvolto nel brevetto, conferma infatti che con "lo scaling delle dimensioni è necessario aumentare il doping del materiale".
L'aumento di drogaggio, ovvero l'aggiunta di impurità al silicio, crea però un effetto collaterale: con le tecniche tradizionali di cottura si rischia di arrivare a una soglia critica che non assicura più la produzione di semiconduttori adeguati.
"Abbiamo bisogno di concentrazioni di fosforo superiori alla sua solubilità di equilibrio nel silicio. Questo va contro natura. Il cristallo di silicio si espande, causando una tensione immensa e rendendolo potenzialmente inutile per l'elettronica", sostiene Hwang.
La soluzione è stata intuita tempo fa da Tsmc, il principale produttore mondiale. Aveva teorizzato che le microonde potessero essere impiegate per controllare ogni fenomeno, perché come avviene anche a casa con i forni a microonde spesso la cottura non è uniforme. E così è bastato modificare l'apparecchio per un maggior controllo delle onde stazionarie che impedivano l'attivazione corretta del drogante - la soluzione a base di fosforo insomma. Il risultato è di ottenere la reazione desiderata senza rischiare di danneggiare il cristallo di silicio.
"In pratica normalmente dentro un forno di questo tipo le microonde rimpallano da una parte all'altra e in base alle interferenze possono esserci dei punti in cui il campo elettrico non è uniforme. Siamo intervenuti su questo fronte riducendo ogni criticità", conclude il giovane ingegnere anconetano.
Lo sbarco sul mercato
I primi semiconduttori basati su questa nuova tecnica produttiva dovrebbero arrivare sul mercato nel 2025, secondo Hwang. E la prospettiva è che cambi persino la geometria dei transistor utilizzati nei microchip. Storicamente sono sempre stati costruiti con un design verticale: come pinne dorsali su una superficie. Ma recentemente si sta iniziando a sperimentare una disposizione orizzontale, una sorta di nanofoglio che dovrebbe incrementare la densità. La procedura ideata alla Cornell sarebbe ideale per questo design.