Cornell Üniversitesi’nden Bilgisayar Çiplerinde Atomik Düzeyde Kusurları Görüntüleyen Yenilikçi 3D Teknoloji

Cornell Üniversitesi araştırmacıları, bilgisayar çipleri içindeki atomik büyüklükteki kusurları yüksek çözünürlüklü 3D görüntüleme yöntemiyle tespit etmeyi başardı. Bu mikroskobik kusurlar, çip performansını olumsuz etkileyerek modern elektronik ürünlerin işleyişinde önemli problemlere yol açabiliyor. Çiplerin daha hızlı, küçük ve karmaşık hale gelmesiyle birlikte bu tür kusurlar üzerindeki araştırmalar da giderek önem kazanıyor.

Bahsi geçen yeni görüntüleme teknolojisi, Tayvanlı yarı iletken üreticisi TSMC ve Advanced Semiconductor Materials (ASM) şirketleriyle yürütülen iş birliği sonucu geliştirildi. Bilgisayar çipleri, akıllı telefonlardan otomobillere, yapay zeka veri merkezlerinden kuantum bilgisayarlara kadar çok geniş bir teknoloji alanında kullanılmakta. Bu nedenle ortaya çıkarılan bulgular, teknoloji sektöründe geniş bir etki yaratma potansiyeline sahip. Çalışmanın baş yazarı Cornell Üniversitesi doktora öğrencisi Shake Karapetyan, 23 Şubat’ta Nature Communications dergisinde yayımlanan makalenin önemli katkıları arasında yer aldı.

Projenin lideri Samuel B. Eckert Mühendislik Profesörü David Muller, “Bu atomik kusurların yapısını görmek için başka bir yöntem yok; bu nedenle çip geliştirme ve hata ayıklama sürecinde bu görüntüleme yöntemi çok önemli bir araç olacak” dedi. Özellikle çiplerin üretim ve geliştirme aşamasında performans sorunlarının tespit edilmesi adına yeni teknik büyük avantaj sağlıyor.

Yarı iletken çiplerde çok küçük yapısal hataların önemi yıllardır büyük bir sorun olarak kabul ediliyor. Çipler karmaşıklaştıkça ve bileşenlerin boyutları atom ölçeğine yaklaştıkça, en küçük düzensizlikler bile cihazların verimliliğini etkileyebiliyor. Her bilgisayar çipinin kalbinde bulunan transistörler, elektrik akımını kontrol eden küçük anahtarlardır. Transistör içerisinde bulunan kanal, elektronların akışını kontrol eden kapı görevi görür. Muller, transistörü “elektronlar için küçük bir boru” olarak tanımlıyor ve borunun duvarlarının pürüzlü olmasının akışı yavaşlattığını vurguluyor. Bu nedenle kanal duvarlarının pürüzlülüğünü ölçmek ve kusurlu yüzeyleri tanımlamak, artık çiplerin performansını optimize etmek için hayati önem taşıyor.

Muller, yarı iletken teknolojisinin fiziksel sınırları üzerine uzun yıllardır çalışıyor. 1997-2003 yılları arasında Bell Labs’ta araştırmacı olarak bulunan Muller, transistörlerin daha küçük boyutlara indirilebilmesi üzerinde yoğun çalışmalar yaptı. İlk transistörler 20. yüzyıl ortalarında yassı ve yatay yüzeylerde sıralanırken, mühendisler zamanla yüzey alanı yetersizliğinden dolayı transistörleri dikey olarak üst üste yerleştirerek üç boyutlu çip yapıları geliştirdiler. Bu yapılar, yüksek katlı apartmanlara benzer karmaşık mimariler sunuyor.

Muller, “Bu 3D yapılar virüs boyutundan daha küçük; hatta bugün molekül boyutundalar,” diyerek bu teknolojinin ne kadar hassas olduğunu ifade ediyor. Günümüzde gelişmiş bir çip, milyarlarca transistör barındırabiliyor. Transistör kanallarının genişliği artık sadece 15-18 atom kalınlığında ve bu kadar küçük bir yapının detaylı incelenmesi oldukça zorlaşıyor. Karapetyan da bu noktada, “Her atomun konumu çok önemli hale geldi ve karakterizasyon yapmak zor,” diye ekliyor.

Elektron mikroskopisi alanındaki ilerlemeler de bu karmaşık yapıları incelemeyi mümkün kılıyor. Muller ve bilim insanı Glen Wilk, Bell Labs’taki çalışmalarında silikon dioksitin yerini alan ve daha az akım sızıntısı yapan hafniyum oksit malzemesinin yaygınlaşmasına öncülük ettiler. Bu malzeme, günümüzde bilgisayar işlemcileri ve mobil cihazlarda standart olarak kullanılıyor. Muller, “Eskiden bu malzemeleri incelemek için elektron mikroskoplarını kullanma yöntemlerimizi yayımladık; yarı iletken alanında birçok kişi bu çalışmaları dikkatle takip etti,” diyor.

Bugün ise kullanılan teknoloji “elektron ptychography” olarak adlandırılan hesaplamalı görüntüleme yöntemidir. Bu yöntem, Muller’ın geliştirdiği elektronik mikroskop piksel dedektörü (EMPAD) ile detaylı elektron yayılım desenlerini kaydediyor. Farklı tarama noktalarındaki elektronik saçılma örüntüleri karşılaştırılarak, atomların konumları son derece yüksek çözünürlükle yeniden oluşturulabiliyor. Bu teknoloji, Guinness Rekorlar Kitabı tarafından “en yüksek çözünürlüklü atomik görüntü” olarak tescillendi.

Araştırmacılar, 25 yıl aradan sonra tekrar bir araya gelerek TSMC ve ASM iş birliğiyle bu ileri teknolojiyle modern yarı iletken cihazlarını inceledi. Karapetyan, bu süreç için “Deney verisini toplamak ve hesaplamalı rekonstrüksiyonu yapmak büyük bir bulmacayı çözer gibi” ifadelerini kullandı. Görüntülerin analizi sırasında, transistor kanallarının yüzeylerinde “mouse bite” yani “fare ısırığı” olarak adlandırılan mikroskobik pürüzlü ve düzensiz alanlar keşfedildi. Bu kusurlar, cihazların üretimi sırasında uygulanan kimyasal işlemler ve ısıl işlemler sonucunda ortaya çıkıyor. Belçika merkezli nanoelektronik araştırma merkezi Imec tarafından üretilen örnek cihazlar, bu yöntemin test edilmesi için ideal zemin sağladı.

Karapetyan, “Modern cihaz üretimi yüzlerce, hatta binlerce kimyasal işlem adımlarını içeriyor. Her adım yapıya bir şeyler katıyor veya çıkarıyor. Eskiden sadece projeksiyon görüntülerle bu süreç takip edilirdi, şimdi ise her aşamadan sonra doğrudan yapının nasıl değiştiğini görebiliyoruz” diyerek bu yeni yöntemin üretim sürecini iyileştirme açısından sağlayacağı faydayı vurguladı.

Bu teknoloji sayesinde, sadece akıllı telefon ve bilgisayarlar değil, büyük veri merkezleri ve kuantum bilgisayar gibi hassas yapılar kullanan ileri teknoloji cihazlar da gelişecektir. Kuantum bilgisayarların malzeme yapısında çok hassas kontrol gerektirmesi, böyle görüntüleme yöntemlerini vazgeçilmez kılıyor. Karapetyan, “Artık çok daha fazla bilimsel araştırma yapabilir, mühendislik açıdan daha iyi kontrol sağlayabiliriz,” diyerek geleceğe dair umutlu değerlendirmelerde bulundu.

Çalışmaya TSMC, Platform for the Accelerated Realization, Analysis and Discovery of Interface Materials (PARADIM) araştırmacısı Steven Zeltmann ve TSMC’den Ta-Kun Chen ile Vincent Hou da katkı sağladı. Araştırmayı TSMC finanse ederken, mikroskopi altyapısına CCMR ve PARADIM tarafından destek verildi. Bu kurumlar ise Ulusal Bilim Vakfı tarafından fonlanmaktadır.

Kaynak: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/03/260305182657.htm