Chip Semikonduktor Skala Atom — Menembus Batas

Era informasi yang tercipta selama hampir 60 tahun telah memberikan dunia internet, ponsel pintar, dan komputer secepat kilat. Membuat hal ini menjadi mungkin adalah penggandaan jumlah transistor yang dapat dikemas ke dalam chip komputer kira-kira setiap dua tahun, sehingga menghasilkan miliaran transistor skala atom yang sekarang muat pada chip seukuran kuku. Panjang "skala atom" seperti itu sangat kecil sehingga atom individu dapat dilihat dan dihitung di dalamnya.

Dengan penggandaan ini sekarang dengan cepat mendekati batas fisik, Laboratorium Fisika Plasma Princeton (PPPL) Departemen Energi AS (DOE) telah bergabung dengan upaya industri untuk memperluas proses dan mengembangkan cara baru untuk menghasilkan yang lebih mampu, efisien, dan hemat biaya. keripik. Ilmuwan laboratorium kini telah memprediksi secara akurat, melalui pemodelan, langkah kunci dalam fabrikasi chip skala atom dalam studi PPPL pertama di bawah Perjanjian Penelitian dan Pengembangan Koperasi (CRADA) dengan Lam Research Corp., pemasok peralatan pembuatan chip di seluruh dunia .

"Ini akan menjadi satu bagian kecil dalam keseluruhan proses," kata Profesor David Graves, direktur laboratorium asosiasi untuk interaksi permukaan plasma suhu rendah dan rekan penulis makalah yang menguraikan temuan di Journal of Vacuum Science &Technology B . Wawasan yang diperoleh melalui pemodelan, katanya, “dapat menghasilkan banyak hal baik, dan itulah sebabnya upaya di Lab ini menjanjikan.”

Sementara penyusutan tidak bisa berlangsung lebih lama, "itu belum sepenuhnya berakhir," katanya. “Industri telah berhasil hingga saat ini dalam menggunakan metode empiris terutama untuk mengembangkan proses baru yang inovatif, tetapi pemahaman mendasar yang lebih dalam akan mempercepat proses ini. Studi fundamental membutuhkan waktu dan membutuhkan keahlian yang tidak selalu dimiliki industri,” ujarnya. “Ini menciptakan insentif yang kuat bagi laboratorium untuk melakukan pekerjaan.”

Para ilmuwan PPPL memodelkan apa yang disebut "etsa lapisan atom" (ALE), langkah fabrikasi yang semakin kritis yang bertujuan untuk menghilangkan lapisan atom tunggal dari permukaan satu per satu. Proses ini dapat digunakan untuk mengetsa struktur tiga dimensi yang kompleks dengan dimensi kritis yang ribuan kali lebih tipis dari rambut manusia menjadi film pada wafer silikon.

“Simulasi pada dasarnya setuju dengan eksperimen sebagai langkah pertama, dan dapat mengarah pada peningkatan pemahaman tentang penggunaan ALE untuk etsa skala atom,” kata Joseph Vella, rekan pasca-doktoral di PPPL dan penulis utama makalah jurnal. Pemahaman yang lebih baik akan memungkinkan PPPL untuk menyelidiki hal-hal seperti tingkat kerusakan permukaan dan tingkat kekasaran yang dikembangkan selama ALE, katanya, “dan ini semua dimulai dengan membangun pemahaman mendasar kita tentang etsa lapisan atom.”

Model tersebut mensimulasikan penggunaan sekuensial gas klorin dan ion plasma argon untuk mengontrol proses etsa silikon pada skala atom. Plasma — gas terionisasi — adalah campuran yang terdiri dari elektron bebas, ion bermuatan positif, dan molekul netral. Plasma yang digunakan dalam pemrosesan perangkat semikonduktor mendekati suhu kamar, berbeda dengan plasma ultra-panas yang digunakan dalam eksperimen fusi.

“Temuan empiris yang mengejutkan dari Lam Research adalah bahwa proses ALE menjadi sangat efektif ketika energi ion sedikit lebih tinggi daripada yang kita mulai,” kata Graves. “Jadi itu akan menjadi langkah kami selanjutnya dalam simulasi — untuk melihat apakah kami dapat memahami apa yang terjadi ketika energi ion jauh lebih tinggi dan mengapa hal itu sangat baik.”

Ke depan, "industri semikonduktor secara keseluruhan sedang mempertimbangkan ekspansi besar dalam bahan dan jenis perangkat yang akan digunakan, dan ekspansi ini juga harus diproses dengan presisi skala atom," katanya. “Tujuan A.S. adalah untuk memimpin dunia dalam menggunakan sains untuk mengatasi masalah industri yang penting,” katanya, “dan pekerjaan kami adalah bagian dari itu.”