पहली बार, संयुक्त राज्य अमेरिका में कॉर्नेल विश्वविद्यालय की शोध टीम ने परमाणु पैमाने पर उन्नत चिप्स के अंदर छिपे संरचनात्मक दोषों को सीधे "देखा", और स्पष्ट रूप से इन छोटे अनियमित आकृतियों को "माउस बाइट्स" कहा। यह इमेजिंग सफलता भविष्य के हाई-एंड चिप्स की डिबगिंग और उपज में सुधार के लिए एक नया उपकरण प्रदान करती है।
यह नई तकनीक ताइवान सेमीकंडक्टर मैन्युफैक्चरिंग कंपनी (टीएसएमसी) और सेमीकंडक्टर उपकरण निर्माता एएसएम के सहयोग से कॉर्नेल विश्वविद्यालय द्वारा विकसित उच्च-रिज़ॉल्यूशन त्रि-आयामी इलेक्ट्रॉनिक इमेजिंग विधि पर निर्भर करती है। यह नैनोमीटर या यहां तक कि परमाणु पैमाने पर ट्रांजिस्टर की आंतरिक संरचना का पुनर्निर्माण कर सकता है और प्रदर्शन और विश्वसनीयता को प्रभावित करने वाले सूक्ष्म दोषों का सीधे पता लगा सकता है। शोध के नतीजे 23 फरवरी को नेचर कम्युनिकेशंस पत्रिका में प्रकाशित हुए थे। पेपर के पहले लेखक कॉर्नेल विश्वविद्यालय में डॉक्टरेट छात्र शेक कारपेटियन हैं।
प्रोजेक्ट लीडर और कॉर्नेल के डफिल्ड स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग में सैमुअल बी. एकर्ट प्रोफेसर डेविड मुलर ने कहा कि मौजूदा तरीकों से इन दोषों की परमाणु संरचना को सीधे देखना लगभग असंभव है, और नई विधि चिप विकास चरण के दौरान "डीबगिंग" और "समस्या निवारण" के लिए एक प्रमुख लक्षण वर्णन उपकरण बन जाएगी। चूँकि स्मार्टफ़ोन और कारों से लेकर कृत्रिम बुद्धिमत्ता डेटा केंद्र और क्वांटम कंप्यूटर तक सब कुछ उन्नत चिप्स पर निर्भर है, इसलिए इस विकास का संपूर्ण सूचना उद्योग श्रृंखला पर व्यापक प्रभाव पड़ने की उम्मीद है।
आधुनिक अर्धचालक उपकरणों में, ट्रांजिस्टर मुख्य इकाई है जो वर्तमान स्विचिंग को नियंत्रित करती है, और इसका चैनल क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों के "चलने" के लिए एक माइक्रो-पाइप की तरह है। मुलर ने बताया कि यदि इस "पाइप" की आंतरिक दीवार खुरदरी है, तो यह इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह में बाधा उत्पन्न करेगी, इसलिए चैनल की दीवार की खुरदरापन को सटीक रूप से मापना और यह पहचानना कि कौन से क्षेत्र "अच्छे" हैं और कौन से "खराब" हैं, परमाणु पैमाने पर विशेष रूप से महत्वपूर्ण हो जाता है। आज के उच्च-प्रदर्शन चिप्स में ट्रांजिस्टर चैनल केवल 15 से 18 परमाणुओं तक चौड़े होते हैं, और उनकी संरचना इतनी जटिल होती है कि कोई भी मामूली विचलन मापनीय प्रदर्शन अंतर पैदा कर सकता है। कारापिल्टन ने स्पष्ट रूप से कहा कि इस तरह के आकार में, लगभग "प्रत्येक परमाणु की स्थिति मायने रखती है," और इन संरचनाओं को सटीक रूप से चित्रित करना एक समस्या रही है।
सेमीकंडक्टर प्रौद्योगिकी के विकास के शुरुआती दिनों को देखते हुए, अधिकांश ट्रांजिस्टर एक समतल तरीके से बिछाए गए थे और चिप की सतह पर पार्श्व में फैले हुए थे। जैसे-जैसे आकार भौतिक सीमाओं के करीब पहुंच रहा है, उद्योग त्रि-आयामी स्टैकिंग संरचनाओं की ओर रुख कर रहा है, जहां उपकरण तेजी से जटिल 3डी आर्किटेक्चर बनाने के लिए लंबवत रूप से "खड़े" होते हैं। मुलर ने याद किया कि 1997 से 2003 तक बेल लैब्स में काम करते समय, उन्होंने उन भौतिक कारकों का अध्ययन किया जो ट्रांजिस्टर के अत्यधिक संकोचन को सीमित करते थे। आज, इन 3डी संरचनाओं के फीचर आकार कई पारंपरिक लक्षण वर्णन विधियों की समाधान शक्ति से छोटे हैं, जिससे प्रदर्शन संबंधी समस्याओं का निदान करना अधिक कठिन हो गया है।
उन्नत इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी तकनीक के विकास ने इस समस्या को हल करने की नींव रखी है। मुलर और वर्तमान एएसएम प्रौद्योगिकी उपाध्यक्ष और कॉर्नेल के पूर्व छात्र ग्लेन विल्क ने बेल लैब्स में अपने समय के दौरान छोटे आकार में गंभीर रिसाव वाले सिलिकॉन डाइऑक्साइड को बदलने के लिए गेट सामग्री के रूप में उच्च ढांकता हुआ स्थिर हेफ़नियम ऑक्साइड (HfO₂) का उपयोग करने पर शोध पर सहयोग किया। इस कार्य ने बाद में कंप्यूटर और मोबाइल फोन चिप्स में हेफ़नियम ऑक्साइड को लोकप्रिय बनाने को बढ़ावा दिया। संबंधित सामग्रियों को चिह्नित करने के लिए इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी के उपयोग पर उस वर्ष उन्होंने जो पेपर प्रकाशित किया था, उसे सेमीकंडक्टर उद्योग में व्यापक रूप से पढ़ा गया था।
आज, "प्रोपेलर विमान" मुलर कॉल को "जेट फाइटर" में अपग्रेड कर दिया गया है, जो इलेक्ट्रॉन पॉज़िट्रॉन विवर्तन इमेजिंग (इलेक्ट्रॉन पाइथोग्राफी) तकनीक में सन्निहित है। यह विधि उनके अनुसंधान समूह द्वारा विकसित इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपिक पिक्सेल ऐरे डिटेक्टर (ईएमपीएडी) पर निर्भर करती है। यह तब उत्पन्न बिखरने वाले पैटर्न को रिकॉर्ड करता है जब इलेक्ट्रॉन किरण ट्रांजिस्टर से गुजरती है, और फिर अल्ट्रा-हाई-रिज़ॉल्यूशन छवियों को प्राप्त करने के लिए आसन्न स्कैनिंग बिंदुओं के बीच पैटर्न में सूक्ष्म परिवर्तनों की गणना और पुनर्निर्माण करती है। ईएमपीएडी की सटीकता इतनी अधिक है कि इसे गिनीज बुक ऑफ वर्ल्ड रिकॉर्ड्स द्वारा अब तक के उच्चतम रिज़ॉल्यूशन परमाणु-स्तर इमेजिंग प्राप्त करने के रूप में मान्यता दी गई थी।
टीएसएमसी और इसकी कॉर्पोरेट विश्लेषणात्मक प्रयोगशाला और नैनोइलेक्ट्रॉनिक्स अनुसंधान केंद्र इमेक के समर्थन से, मुलर और विल्क समकालीन अत्याधुनिक अर्धचालक संरचनाओं में ईएमपीएडी तकनीक लागू करने के लिए 25 वर्षों के बाद फिर से एकजुट हुए हैं। कारापिल्टन ने इस प्रक्रिया की तुलना एक "सुपर बड़ी पहेली" को सुलझाने से की, जिसके लिए बड़े पैमाने पर प्रयोगात्मक डेटा एकत्र करने और जटिल कम्प्यूटेशनल पुनर्निर्माण को पूरा करने की आवश्यकता होती है।
डेटा को संसाधित और विश्लेषण करके, टीम व्यक्तिगत परमाणुओं की स्थानिक स्थिति को ट्रैक करने और ट्रांजिस्टर चैनल इंटरफ़ेस पर सूक्ष्म उतार-चढ़ाव को मापने में सक्षम थी। उन्होंने सामूहिक रूप से इन छोटे गड्ढों और खुरदरेपन को "चूहे के काटने" के दोष के रूप में संदर्भित किया। दोष उपकरण निर्माण के दौरान अनुकूलित सामग्री विकास चरणों के दौरान बने थे, और परीक्षण के लिए उपयोग किए गए नमूने इमेक की प्रक्रिया लाइनों से आए थे। कारपेटियन ने बताया कि आधुनिक उपकरणों की तैयारी के लिए अक्सर सैकड़ों या हजारों रासायनिक नक़्क़ाशी, जमाव और गर्मी उपचार चरणों की आवश्यकता होती है। प्रत्येक चरण का अंतिम संरचना पर प्रभाव पड़ेगा। अतीत में, कोई केवल "अनुमान" लगाने के लिए प्रक्षेपण इमेजिंग पर भरोसा कर सकता था कि अंदर क्या हो रहा है, लेकिन अब कोई भी कई महत्वपूर्ण चरणों के बाद संरचनात्मक परिवर्तनों को सीधे "देख" सकता है। यह प्रक्रिया इंजीनियरों को तापमान जैसे प्रक्रिया मापदंडों को अधिक सूक्ष्मता से समायोजित करने और वास्तविक समय में उनके संरचनात्मक परिणामों को सत्यापित करने का अवसर देता है।
शोध टीम का मानना है कि परमाणु दोषों को सीधे देखने की यह क्षमता लगभग सभी तकनीकी रूपों पर संभावित प्रभाव डालेगी जो उन्नत चिप्स पर निर्भर हैं, जिनमें स्मार्टफोन, लैपटॉप और बड़े डेटा केंद्रों जैसे पारंपरिक अनुप्रयोगों के साथ-साथ अगली पीढ़ी के क्वांटम कंप्यूटिंग सिस्टम भी शामिल हैं, जिन्हें सामग्री संरचनाओं में अत्यधिक उच्च परिशुद्धता की आवश्यकता होती है। कारपेटियन ने कहा कि उपकरणों के ऐसे सेट के साथ, भविष्य में बुनियादी वैज्ञानिक अनुसंधान और प्रक्रिया इंजीनियरिंग नियंत्रण दोनों में प्रदर्शन के लिए अधिक जगह होगी।