Revolutionizing Computing: The Rise of Atomic-Scale Semiconductor Chips
Zaman informasi yang tercipta selama hampir 60 tahun telah memberikan dunia internet, smartphone, dan komputer cepat kilat. Memungkinkan ini adalah lipat ganda jumlah transistor yang dapat dipadatkan pada chip komputer sekitar setiap dua tahun, yang melahirkan miliaran transistor skala atom yang kini muat pada chip berukuran kuku. Panjang “skala atom” ini sangat kecil sehingga atom individual dapat dilihat dan dihitung di dalamnya.
Dengan lipat ganda ini kini mendekati batas fisik dengan cepat, Laboratorium Fisika Plasmasi Princeton (PPPL) dari Departemen Energi AS (DOE) telah bergabung dengan upaya industri untuk memperpanjang proses dan mengembangkan cara baru untuk memproduksi chip yang semakin canggih, efisien, dan hemat biaya. Ilmuwan laboratorium kini telah secara akurat memprediksi, melalui pemodelan, langkah kunci dalam fabrikasi chip skala atom dalam studi PPPL pertama di bawah Perjanjian Penelitian dan Pengembangan Kerja Sama (CRADA) dengan Lam Research Corp., penyedia peralatan pembuatan chip di seluruh dunia.
“Ini akan menjadi satu bagian kecil dalam seluruh proses,” kata Profesor David Graves, direktur laboratorium asosiasi untuk interaksi permukaan plasma suhu rendah dan co-author dari makalah yang garis besar temuan di Journal of Vacuum Science & Technology B. Wawasan yang diperoleh melalui pemodelan, katanya, “dapat mengarah pada segala macam hal baik, dan itulah mengapa upaya ini di Lab memiliki janji.”
Sementara pengecilan tidak dapat berlanjut lebih lama lagi, “belum benar-benar mencapai akhir,” katanya. “Industri berhasil sampai sekarang menggunakan metode empiris terutama untuk mengembangkan proses inovatif baru, tetapi pemahaman fundamental yang lebih dalam akan mempercepat proses ini. Studi fundamental memakan waktu dan memerlukan keahlian yang tidak selalu dimiliki industri,” katanya. “Ini menciptakan insentif yang kuat bagi laboratorium untuk mengambil pekerjaan ini.”
Ilmuwan PPPL memodelkan yang disebut “atomic layer etching” (ALE), langkah fabrikasi yang semakin kritis yang bertujuan untuk menghapus lapisan atom tunggal dari permukaan satu per satu. Proses ini dapat digunakan untuk meng-etch struktur tiga dimensi kompleks dengan dimensi kritis yang ribuan kali lebih tipis dari rambut manusia ke dalam film pada wafer silikon.
“Simulasi pada dasarnya setuju dengan eksperimen sebagai langkah pertama, dan dapat mengarah pada pemahaman yang lebih baik tentang penggunaan ALE untuk pengikisan skala atom,” kata Joseph Vella, post-doctoral fellow di PPPL dan penulis utama makalah jurnal. Pemahaman yang lebih baik akan memungkinkan PPPL untuk menyelidiki hal-hal seperti seberapa besar kerusakan permukaan dan tingkat kekasaran yang berkembang selama ALE, katanya, “dan ini semua dimulai dengan membangun pemahaman fundamental kita tentang pengikisan lapisan atom.”
Model mensimulasikan penggunaan berurutan gas klorin dan ion plasma argon untuk mengontrol proses pengikisan silikon pada skala atom. Plasma — gas terion — adalah campuran yang terdiri dari elektron bebas, ion bermuatan positif, dan molekul netral. Plasma yang digunakan dalam pemrosesan perangkat semikonduktor berdekatan suhu ruang, berkontras dengan plasma ultra-panas yang digunakan dalam eksperimen fusi.
“Temukan empiris yang mengejutkan dari Lam Research adalah bahwa proses ALE menjadi sangat efektif ketika energi ion jauh lebih tinggi dari yang kita mulai,” kata Graves. “Jadi itu akan menjadi langkah berikutnya dalam simulasi kami — untuk melihat apakah kita dapat memahami apa yang terjadi ketika energi ion jauh lebih tinggi dan mengapa begitu bagus.”
Mendatang, “industri semikonduktor secara keseluruhan mempertimbangkan ekspansi besar dalam materi dan jenis perangkat yang akan digunakan, dan ekspansi ini juga akan harus diproses dengan presisi skala atom,” katanya. “Tujuan AS adalah memimpin dunia dalam menggunakan ilmu pengetahuan untuk mengatasi masalah industri yang penting,” katanya, “dan pekerjaan kami adalah bagian dari itu.”
