Atomic Scale Semiconductor Chips — Grenzen verleggen

Het informatietijdperk dat in de loop van bijna 60 jaar is ontstaan, heeft de wereld internet, smartphones en razendsnelle computers gegeven. Om dit mogelijk te maken, is het aantal transistors dat ongeveer om de twee jaar op een computerchip kan worden verdubbeld, verdubbeld, waardoor miljarden transistors op atomaire schaal zijn ontstaan ​​die nu op een chip ter grootte van een vingernagel passen. Dergelijke lengtes op "atomaire schaal" zijn zo klein dat individuele atomen erin kunnen worden gezien en geteld.

Nu deze verdubbeling snel een fysieke limiet nadert, heeft het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) zich aangesloten bij de inspanningen van de industrie om het proces uit te breiden en nieuwe manieren te ontwikkelen om steeds capabeler, efficiënter en kosteneffectiever te produceren chips. Laboratoriumwetenschappers hebben nu, door middel van modellering, een belangrijke stap in de fabricage van chips op atomaire schaal voorspeld in de eerste PPPL-studie in het kader van een Cooperative Research and Development Agreement (CRADA) met Lam Research Corp., een wereldwijde leverancier van apparatuur voor het maken van chips .

"Dit zou een klein stukje zijn in het hele proces", zegt professor David Graves, associate laboratoriumdirecteur voor lage-temperatuur plasma-oppervlakte-interacties en co-auteur van een paper waarin de bevindingen worden geschetst in het Journal of Vacuum Science &Technology B . Inzichten verkregen door modellering, zei hij, "kunnen tot allerlei goede dingen leiden, en daarom heeft deze inspanning bij het Lab enige belofte."

Hoewel de krimp niet lang meer kan duren, "is er nog geen volledig einde aan gekomen", zei hij. “De industrie is er tot nu toe in geslaagd voornamelijk empirische methoden te gebruiken om innovatieve nieuwe processen te ontwikkelen, maar een dieper fundamenteel begrip zal dit proces versnellen. Fundamentele studies kosten tijd en vereisen expertise die de industrie niet altijd heeft”, zei hij. "Dit creëert een sterke prikkel voor laboratoria om het werk op zich te nemen."

De PPPL-wetenschappers hebben gemodelleerd wat "atomic layer etching" (ALE) wordt genoemd, een steeds kritischer wordende fabricagestap die erop gericht is afzonderlijke atomaire lagen één voor één van een oppervlak te verwijderen. Dit proces kan worden gebruikt om complexe driedimensionale structuren met kritische afmetingen die duizenden keren dunner zijn dan een mensenhaar, te etsen tot een film op een siliciumwafel.

"De simulaties kwamen in principe overeen met experimenten als een eerste stap, en zouden kunnen leiden tot een beter begrip van het gebruik van ALE voor etsen op atomaire schaal", zegt Joseph Vella, een postdoctoraal onderzoeker bij PPPL en hoofdauteur van het tijdschriftartikel. Een beter begrip stelt PPPL in staat om zaken te onderzoeken als de omvang van oppervlakteschade en de mate van ruwheid die tijdens ALE is ontwikkeld, zei hij, "en dit begint allemaal met het opbouwen van ons fundamentele begrip van het etsen van atomaire lagen."

Het model simuleerde het opeenvolgende gebruik van chloorgas en argonplasma-ionen om het siliciumetsproces op atomaire schaal te regelen. Plasma - geïoniseerd gas - is een mengsel dat bestaat uit vrije elektronen, positief geladen ionen en neutrale moleculen. Het plasma dat wordt gebruikt bij de verwerking van halfgeleiderapparatuur is bijna kamertemperatuur, in tegenstelling tot het ultrahete plasma dat wordt gebruikt bij fusie-experimenten.

"Een verrassende empirische bevinding van Lam Research was dat het ALE-proces bijzonder effectief werd toen de ionenenergieën een stuk hoger waren dan waarmee we begonnen," zei Graves. "Dus dat wordt onze volgende stap in de simulaties - om te zien of we kunnen begrijpen wat er gebeurt als de ionenenergie veel hoger is en waarom het zo goed is."

In de toekomst overweegt "de halfgeleiderindustrie als geheel een grote uitbreiding van de materialen en de soorten apparaten die moeten worden gebruikt, en deze uitbreiding zal ook met precisie op atomaire schaal moeten worden verwerkt", zei hij. "Het doel van de VS is om de wereld te leiden in het gebruik van wetenschap om belangrijke industriële problemen aan te pakken," zei hij, "en ons werk maakt daar deel van uit."