Como as simulações de plasma podem ajudar a fabricar chips melhores?

Os chips são componentes eletrônicos feitos de material semicondutor, geralmente silício, que contêm bilhões de transistores e outros elementos eletrônicos. Eles funcionam como o cérebro de praticamente todos os dispositivos eletrônicos modernos, desde smartphones e computadores até carros e eletrodomésticos. Os chips são importantes por serem responsáveis pelo processamento e armazenamento de informações durante operações de dispositivos eletrônicos.

Uma das preocupações que muitos cientistas e engenheiros enfrentam é a Lei de Moore, formulada por Gordon Moore em 1965, que prevê que o número de transistores em um chip dobraria a cada dois anos aumentando o poder de processamento. No entanto, estamos nos aproximando dos limites físicos dessa lei. O tamanho dos transistores atingiu dimensões atômicas e em breve atingirá um tamanho limite físico onde será impossível fabricar transistores com essas dimensões.

Recentemente, físicos demonstraram que simulações de plasma podem ajudar a aprimorar a fabricação dos chips que utilizamos atualmente. O plasma é usado em diferentes etapas da produção de chips, como a gravação e a deposição de materiais. Ao simular o comportamento do plasma com precisão, é possível otimizar esses processos, reduzindo defeitos, aumentando a eficiência e permitindo a criação de chips mais complexos e com melhor desempenho, mesmo com as limitações físicas atuais.

Plasma

Plasma é conhecido como o quarto estado da matéria por ser um gás ionizado composto por elétrons livres e íons. Ele é eletricamente condutor apesar de coletivamente parecer neutro. Uma forma de obter plasma é aquecer um gás até que atinja a temperatura necessária para que os elétrons escapem dos prótons. Para estudar plasma é necessário o conhecimento tanto do Eletromagnetismo quanto das equações da Mecânica Clássica.

O plasma é extremamente importante para os astrônomos já que explica desde funcionamento de estrelas até fenômenos em torno de buracos negros. Porém, os físicos também lidam constantemente com plasma, a aplicação mais conhecida é na fusão nuclear onde plasma de hidrogênio é aquecido e confinado em campos magnéticos. Além disso, na fabricação de chips, o plasma é usado para permitir a criação de estruturas pequenas com alta precisão.

Teoria cinética

Há diferentes formas de estudar o plasma, uma delas é a magnetohidrodinâmica que junta as equações de fluidos com as equações do eletromagnetismo. A outra forma é através da teoria cinética que estuda as interações entre partículas individuais (elétrons e íons) e os campos eletromagnéticos que elas geram. As simulações cinéticas rastreiam o movimento de um grande número de partículas. Isso permite capturar fenômenos microscópicos, como ondas e a aceleração de partículas.

No entanto, as simulações cinéticas possuem limitações computacionais. A necessidade de rastrear um grande número de partículas e resolver as equações de campo eletromagnético torna essas simulações custosas computacionalmente. À medida que a complexidade do sistema aumenta, o custo computacional cresce exponencialmente, exigindo supercomputadores de alta performance. Além disso, garantir a precisão e a estabilidade das simulações também são desafios consideráveis.

Novo código

Um grupo de físicos da Universidade de Alberta em conjunto com físicos do laboratório Los Alamos introduziram um novo método que promete maior estabilidade e eficiência para simulações cinéticas de plasmas. A fabricamente de chips Applied Materials Inc. foi uma das empresas que contribuiu na pesquisa e atualmente já utiliza o código para melhorar a performance e eficiência da produção de chips.

Essas simulações detalhadas de plasmas são importantes para compreender a formação e evolução nos processos de fabricação. Quando as simulações são mais realistas e informam em tempo real, elas podem dar funções de distribuição mais precisas, indicando a probabilidade de uma partícula estar em um determinado local e velocidade. Esses detalhes ajudam os fabricantes a usar o plasma de uma forma a criar chips mais rápidos ou com memórias com maior capacidade de armazenamento.

Melhorias

A versão inicial do código de simulação não teve o impacto esperado no avanço principalmente por não ser estável e possuir erros nos resultados. Com o tempo, os pesquisadores envolvidos no projeto fizeram modificações nas equações para tornar o código mais estável, eliminando falhas. O aprimoramento do código incluiu uma mudança na forma como o campo elétrico gerado por uma bobina de corrente, que é responsável por aquecer o plasma, era calculado.

A simulação é um código conhecido como "partícula-em-célula", que rastreia partículas individuais movendo-se entre células de uma grade. Essa abordagem é muito utilizada para plasmas de baixa pressão em dispositivos industriais, onde método MHD, por exemplo, não seria tão útil. O novo código permite modelar plasmas maiores com rapidez, enquanto conserva a energia com precisão. Isso garante que os resultados mostrem processos físicos reais, sem erros numéricos. A conservação de energia no código é um exemplo para manter a fidelidade da simulação ao comportamento de um plasma real.

Referência da notícia

Simulation of an inductively coupled plasma with a two-dimensional Darwin particle-in-cell code. 09 de abril, 2025. Sydorenko, et al.