Processos de Fabricação Microeletrônica

A iniciativa de Divulgação Científica foi elaborada durante o curso PSI5761 - Introdução aos Processos de Fabricação em Microeletrônica - ministrado pelo Prof. Dr. Fernando Josepetti Fonseca, pelo programa de pós-graduação da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.

Tem como objetivo contribuir para a promoção e a apropriação do conhecimento científico-tecnológico. Isso será realizado por meio deste site e por outras plataformas digitais para apresentar conteúdos relacionados a Microeletrônica de maneira acessível, estimulante e de fácil compreensão.

Acreditamos que conhecer as possibilidades de uma área científica pode criar futuros projetos e atrair novos pesquisadores. Segundo as Nações Unidas, ações para a popularização da ciência e tecnologia estão diretamente relacionadas a meta 9.5, dentre os 17 Objetivos de Desenvolvimento Sustentável, que diz respeito a “fortalecer a pesquisa científica, melhorar as capacidades tecnológicas de setores industriais em todos os países, particularmente os países em desenvolvimento, inclusive, até 2030, incentivando a inovação e aumentando substancialmente o número de trabalhadores de pesquisa e desenvolvimento por milhão de pessoas e os gastos público e privado em pesquisa e desenvolvimento”. Com isso, esperamos que ocorra essa divulgação científica e que possa alcançar a população, facilitando um diálogo que geralmente não ocorre no Brasil

ATUALIZAÇÃO 28/07/2020 19:35

Construída ponte entre a eletrônica convencional e a eletrônica molecular

Michael E. Newman - 20/03/2008

https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=construida-ponte-entre-a-eletronica-convencional-e-a-eletronica-molecular&id=010110080320

Pesquisadores do Instituto NIST, dos Estados Unidos, conseguiram estabelecer um "link evolucionário" entre a microeletrônica atual, baseada em componentes semicondutores, e a eletrônica molecular, quando as futuras gerações de equipamentos serão feitas principalmente a partir de complexas moléculas orgânicas.

Circuitos híbridos CMOS-molecular

Os cientistas demonstraram que uma única camada de moléculas orgânicas pode ser montada sobre o mesmo tipo de substrato utilizado pelos chips atuais.

A capacidade para utilizar um cristal de silício como substrato, compatível com o padrão CMOS ("Complementary Metal Oxide Semiconductor"), a tecnologia de fabricação padrão da indústria, abre o caminho para a construção em futuro próximo de circuitos híbridos CMOS-molecular. Este é um precursor necessário de uma tecnologia "além do CMOS", totalmente molecular.

 

Monocamada de moléculas orgânicas

Os cientistas classificam as estruturas cristalinas pelo plano ou "face" de corte por meio da qual o cristal é exposto. A maioria das pesquisas até hoje com substratos de silício para dispositivos de eletrônica molecular têm sido feitas com uma orientação cristalina que é conveniente para as moléculas orgânicas, mas incompatível com a tecnologia CMOS.

Para construir seu dispositivo eletrônico, a equipe do NIST primeiro demonstrou que uma monocamada de moléculas orgânicas de boa qualidade pode ser montada sobre silício com a orientação normal utilizada na fabricação industrial dos circuitos CMOS, verificando isso por meio de uma extensiva análise por espectroscopia.

Componente eletrônico molecular

Eles então partiram para construir um componente eletrônico molecular simples mas funcional - um resistor - utilizando as mesmas técnicas. Uma única camada de cadeias de átomos de carbono, com as extremidades ancoradas em átomos de enxofre, foi depositada sobre cavidades com 100 nanômetros de profundidade no substrato de silício e recobertas com uma camada de prata para formar o contato elétrico superior.

O uso da prata é outra diferença com outros estudos de eletrônica molecular, onde têm sido usados o ouro e o alumínio. Ao contrário desses dois elementos, a prata não desloca a monocamada e nem a impede de funcionar.

Resistores moleculares

Os pesquisadores construíram dois componentes eletrônicos moleculares, cada um com um comprimento diferente de cadeias de carbono preenchendo a monocamada. Os dois componentes apresentaram resistência ao fluxo elétrico. Como esperado, aquele feito com as cadeias maiores apresentou uma resistência mais elevada.

Um componente de controle, sem a monocamada, apresentou menor resistência, provando que as outras duas unidades funcionam como resistores não-lineares.

O próximo passo, segundo o relatório da pesquisa, será fabricar um circuito híbrido CMOS-molecular que demonstre que os componentes eletrônicos moleculares podem funcionar em harmonia com as atuais technologias da microeletrônica.

Bibliografia:

Artigo: Demonstration of molecular assembly on Si (100) for CMOS-compatible molecular-based electronic devices
Autores: N. Gergel-Hackett, C.D. Zangmeister, C.A. Hacker, L.J. Richter, C.A. Richter
Revista: Journal of the American Chemical Society
Data: April 2, 2008
Vol.: 130, No. 13, pp 4259-4261

MEMS 

Micro-electromechanical Systems

Imagine que é possível se desenvolver sistemas mecânicos na escala de nanômetros, ou seja uma engrenagem que cabe dentro de um circuito integrado, sim é verdade e cabe muito mais, acompanhe abaixo.......

•Micro-Electromechanical systems (MEMS)

•Processo pelo qual são  desenvolvidos dispositivos eletromecânicos por meio de processos de fabricação em escala micrométrica e mais recentemente em escala nanométrica.

•Utilizam se os conceitos referentes ao aprendizado desenvolvido nas diversas áreas técnicas, como da área dos processos de fabricação de circuitos integrados, engenharia mecânica, química, ciências dos materiais, óptica e instrumentação.

•São dispositivos que podem ser aplicados em uma quantidade grande de áreas, como nas áreas automobilística, medicina, eletrônica, comunicação e aplicações também na área de defesa.

•Os diversos dispositivos são possíveis de serem desenvolvidos devido ao desenvolvimento principalmente possíveis de serem desenvolvidos devido aos processos de fabricação utilizando bases de silício nas áreas de microeletrônica e micromecânica, as quais hoje já estão nas escalas nanométricas.

•Basicamente os dispositivos desenvolvidos possuem sistemas micromecânicos, microeletrônicos, microsensores e micro estruturas em um único circuito integrado.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

•As teorias de desenvolvimento destes dispositivos datam da década de 50, porém somente com a evolução dos processos de fabricação em microeletrônica é que se conseguiu chegar a dispositivos comerciais, como os sensores utilizados em automóveis, dispositivos detectores de pressão aplicados na área médica, além de diversos outros aplicáveis hoje em dia.

•Abaixo temos um sensor fotoelétrico criado com a tecnologia MEMS.

•As tendências são diversas, mas a que mais há de tendência para a tecnologia MEMS está em desafiar cada vez mais a escala nanométrica e cada vez mais tornar possível a controle e conectividade dos dispositivos desenvolvidos, como por exemplo a criação de dispositivos robóticos nanométricos que entrem pela corrente sanguínea e se possa por exemplo efetuar uma avaliação de uma obstrução ou ainda desfazer tal obstrução. Esses são um dos desafios ao qual se apresenta no desenvolvimento de novos MEMS.

Ouro e prata viram semicondutores em escala atômica.

atualização 12/08/2020

A ilustração mostra uma camada monoatômica cristalina de ouro sob grafeno (antracita). A estrutura eletrônica da camada de ouro e o grafeno (verde) é mostrada acima.
[Imagem: Stiven Forti]

Metal vira semicondutor

Químicos conseguiram pela primeira vez produzir camadas cristalinas monoatômicas de metais preciosos - similares metálicos do grafeno, da molibdenita e tantos outros materiais 2D.

E como o ouro e a prata estão entre os melhores condutores de eletricidade que se conhece, qual não foi a surpresa dos pesquisadores quando as camadas monoatômicas desses dois metais apresentaram uma identidade inusitada: elas são semicondutoras.

O fato de que camadas monoatômicas de metais se comportem como semicondutores é mais uma demonstração de que os elétrons se comportam de modo diferente em camadas bidimensionais do que costumam fazer no material bruto 3D - as propriedades eletrônicas do grafeno são muito diferentes daquelas do grafite, de onde o material se origina.

E, como ouro e prata estão largamente presentes na indústria microeletrônica, esta descoberta tem potencial para ser explorada em novas aplicações dentro e fora dos chips, além de sensores.

Metais bidimensionais

Embora o grafeno tenha sido retirado do grafite usando uma fita adesiva, fabricar camadas monoatômicas de metais não é fácil.

"Com os métodos clássicos de deposição, os átomos de ouro, por exemplo, se aglomerariam imediatamente em cachos tridimensionais," explicam Philipp Rosenzweig e Ulrich Starke, do Instituto de Pesquisas do Estado Sólido, na Alemanha.

A dupla então trabalhou com um método diferente que eles mesmos criaram, chamado intercalação. O processo começa com uma pastilha de carbeto de silício, sobre a qual é depositada uma camada de grafeno. Quando um vapor de ouro é aplicado sobre essa pastilha em ambiente de vácuo, os átomos de ouro acomodam-se entre as camadas de carbeto de silício e grafeno.

A equipe já repetiu os experimentos com germânio, cobre, gadolínio e prata - e a prata também se torna semicondutora.

Esta é a coisa real, vista por um microscópio de tunelamento. As flutuações de brilho ocorrem porque o ouro e o grafeno interagem, formando uma super-rede, conhecida como rede de Moiré.
[Imagem: MPI for Solid State Research]

Aplicações tecnológicas

Como todas as teorias diziam que o ouro continuaria um excelente condutor metálico na forma 2D, a descoberta de seu comportamento semicondutor foi uma surpresa. "Interações entre os átomos de ouro e, ou o carbeto de silício ou o grafeno, obviamente desempenham seu papel aqui. Isso influencia os níveis de energia dos elétrons," arrisca Starke.

A descoberta abre a possibilidade de aplicações tecnológicas porque pequenos ajustes no método de fabricação definem se a camada monoatômica será condutora ou semicondutora: qualquer coisa maior do que uma camada, seja em toda a extensão do material, ou em pontos específicos, faz o ouro voltar a se tornar condutor. Assim, pode-se projetar componentes eletrônicos usando-se alternadamente mono e bi-camadas de ouro, obtendo funcionalidades usando um único material.

Bibliografia:

Artigo: Large-area synthesis of a semiconducting silver monolayer via intercalation of epitaxial graphene
Autores: Philipp Rosenzweig, Ulrich Starke
Revista: Physical Review B
Vol.: 101, 201407
DOI: 10.1103/PhysRevB.101.201407

SITE INOVAÇÃO TECNOLÓGICA. Ouro e prata viram semicondutores em escala atômica. 01/07/2020. Online. Disponível em www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=ouro-prata-viram-semicondutores-escala-atomica. Capturado em 12/08/2020.

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