Computing Revolutioneren: De Opkomst van Atoomschaal Semiconductor Chips

De informatie-eeuw die over bijna 60 jaar gecreëerd is, heeft de wereld het internet, smartphones en bliksemsnelle computers gegeven. Dit mogelijk maken is de verdubbeling van het aantal transistors dat op een computerchip kan worden gepakt ongeveer elke twee jaar, wat leidt tot miljarden atoomschaal transistors die nu op een vingernagel-grote chip passen. Zulke 'atoomschaal' lengtes zijn zo klein dat individuele atomen in ze gezien en geteld kunnen worden.

Met deze verdubbeling nu snel een fysieke limiet benaderend, heeft het U.S. Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) zich aangesloten bij de inspanningen van de industrie om het proces te verlengen en nieuwe manieren te ontwikkelen om nog meer capabele, efficiënte en kosteneffectieve chips te produceren. Laboratoriumwetenschappers hebben nu nauwkeurig voorspeld, door middel van modellering, een cruciale stap in atoomschaal chipfabricatie in de eerste PPPL-studie onder een Cooperative Research and Development Agreement (CRADA) met Lam Research Corp., een wereldwijde leverancier van chip-fabricatieapparatuur.

'Dit zou één klein stukje in het hele proces zijn,' zei Professor David Graves, associate laboratory director voor low-temperature plasma surface interactions en co-auteur van een paper die de bevindingen uiteenzet in het Journal of Vacuum Science & Technology B. Inzichten verkregen door modellering, zei hij, 'kunnen tot allerlei goede dingen leiden, en dat is waarom deze inspanning op het Lab belofte heeft.'

Terwijl de krimp niet nog veel langer kan duren, 'het heeft nog niet volledig een einde bereikt,' zei hij. 'De industrie is tot nu toe succesvol geweest in het voornamelijk gebruik van empirische methoden 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 aanmoediging voor laboratoria om het werk op zich te nemen.'

De PPPL-wetenschappers modeleerden wat 'atoomlaag etsen' (ALE) genoemd wordt, een steeds kritischere fabricatiestap die erop gericht is om enkele atoomlagen van een oppervlak één voor één te verwijderen. Dit proces kan gebruikt worden om complexe driedimensionale structuren met kritische dimensies die duizenden keren dunner zijn dan een menselijk haar in een film op een silicium wafer te etsen.

'De simulaties stemden basis met experimenten overeen als eerste stap, en kunnen leiden tot verbeterd begrip van het gebruik van ALE voor atoomschaal etsen,' zei Joseph Vella, een post-doctoraal fellow bij PPPL en hoofdauteur van het journal-papier. Verbeterd begrip zal PPPL in staat stellen om zaken te onderzoeken als de mate van oppervlakteschade en de graad van ruwheid die tijdens ALE ontstaat, zei hij, 'en dit alle begint met het bouwen van ons fundamentele begrip van atoomlaag etsen.'

Het model simuleerde het achtereenvolgens gebruik van chloorgas en argon-plasma-ionen om het silicium-etsproces op atoomschaal te controleren. Plasma — geïoniseerd gas — is een mengsel bestaande uit vrije elektronen, positief geladen ionen, en neutrale moleculen. Het plasma dat in halfgeleiderapparaatverwerking gebruikt wordt, is nabij kamertemperatuur, in contrast met het ultra-heet plasma dat in fusie-experimenten gebruikt wordt.

'Een verrassende empirische bevinding van Lam Research was dat het ALE-proces bijzonder effectief werd wanneer de ionenergies quite a bit hoger waren dan degenen waar we mee begonnen,' zei Graves. 'Dus dat zal onze volgende stap in de simulaties zijn — om te zien of we kunnen begrijpen wat er gebeurt wanneer de ionenergie veel hoger is en waarom het zo goed is.'

Vooruitgaand, 'de halfgeleiderindustrie als geheel overweegt een grote uitbreiding in de materialen en de typen apparaten die gebruikt zullen worden, en deze uitbreiding zal ook met atoomschaal precisie verwerkt moeten worden,' zei hij. 'Het VS-doel is om de wereld te leiden in het gebruik van wetenschap om belangrijke industriële problemen aan te pakken,' zei hij, 'en ons werk is onderdeel daarvan.'