Plazminis šalinimas atominiu tikslumu: naujas metodas

Įsivaizduokite, kad galite pašalinti vieną atominį sluoksnį, nepaliesdami to, kas yra po juo. Toks tikslumas skamba kaip laboratorinė magija. Vis dėlto Princeton ir JAV Energetikos departamento laboratorijų mokslininkai nubrėžė kelią tokiai kontrolei, pasitelkdami subtilų cheminį paruošimą, kuris keičia, kaip plazma sąveikauja su itin plonaisiais medžiagų sluoksniais.

Mokslininkai sukūrė naują plazminiu pagrindu paremtą gamybos metodą, galintį pagerinti puslaidininkių gamybos tikslumą. Šis proveržis gali leisti kurti mažesnius, greitesnius ir energiją taupančius kompiuterių lustus, kai pramonė stengiasi viršyti šiandienines gamybos ribas.

Silicis dešimtmečius skatino pažangą elektronikoje, tačiau ši medžiaga artėja prie savo praktiškų dydžio ir našumo ribų. Siekdami sutalpinti daugiau galimybių į lustą, inžinieriai kreipiasi į atominiu sluoksniu plonas medžiagas, kurios gali kartu su siliciu dalyvauti ateities tranzistoruose. Vienas ryškus kandidatas yra molibdeno disulfidas, medžiagotyroje žinomas kaip MoS2. Trijų atomų storio. Kompaktiškas. Žadantis.

Kaip mažas cheminis sluoksnis keičia galimybes

MoS2 priklauso pereinamųjų metalų dichalkogenidų šeimai, dar vadinamai TMD. Įsivaizduokite sumuštinį: molibdeno atomų plėvelė įdėta tarp dviejų sieros sluoksnių. Išplėstinėje įrenginių konstrukcijoje gamintojams gali reikėti pašalinti tik viršutinį sieros sluoksnį, paliekant molibdeną ir apatinį sieros sluoksnį nepažeistus. Tai yra itin subtili užduotis. Pernelyg didelė energija gali pakenkti esamiems atomams. Pernelyg maža — ir viršutinis sluoksnis lieka prisitvirtinęs.

Rėmelis iš simuliacijos vaizdo rodo plazmos joną (violetinė), atplėšiantį atomus nuo itin plonų medžiagų, vadinamų pereinamųjų metalų dichalkogenidais (TMD). Ši medžiaga galėtų būti ideali silicio pakaitalė kompiuterių luste. Molibdeno atomų sluoksnis (mėlyna) sukomponuotas tarp dviejų sieros sluoksnių (žalia). TMD paviršius buvo padengtas deguonimi (raudona), todėl plazmos jonui atsitrenkus, susidaro sieros ir deguonies junginiai — sieros dioksidas. Tai leidžia pašalinti viršutinį sieros sluoksnį nepažeidžiant molibdeno apačioje.

Tradiciškai plazminis ėsdinimas daugiausiai remiasi kinetiniais smūgiais: plazmos jonai trenkiasi į paviršių ir fiziškai išstumia atomus. Tačiau tų jonų energijos nėra vienodos; jos pasiskirsčiusios per spektrą. Netinkamai apdorotam MoS2 simuliacijos rodo, kad sieros atomo pašalinimui reikia maždaug 30 elektronvoltų energijos. Šis dydis yra nerimą keliantis, nes netoli ribos, kuri galėtų pakenkti molibdeno sluoksniui po juo. Realiomis gamybinėmis sąlygomis dalis jonų ne išvengiamai viršija saugią ribą ir sukelia pažeidimus.

Naujas požiūris pakeičia žaidimo taisykles leisdamas chemijai atlikti sunkiąją dalį. Panaudodami pirmųjų principų simuliacijas, tyrėjų komanda atrado, kad paviršių prieš plazmos ekspoziciją galima padengti deguonimi arba fluoru — tai sumažina energiją, reikalingą viršutinei sieros pašalinimui. Fluoro danga gali sumažinti reikiamą energiją maždaug iki 10 elektronvoltų; deguonis sumažina iki maždaug 14 elektronvoltų. Tokia platesnė darbo sritis leidžia gamintojams tiksliai nustatyti plazmos sąlygas taip, kad būtų pašalintas tik viršutinis sieros sluoksnis su žymiai mažiau šalutinių pažeidimų.

Kas iš tiesų vyksta, kai jonas susiduria su cheminiu būdu paruoštu paviršiumi? Simuliacijos rodo, kad atėjęs jonas gali paskatinti nedidelių, lakiųjų molekulių susidarymą. Esant deguoniui, du deguonies atomai susijungia su gretimu sieros atomu ir sudaro sieros dioksidą, kuris lengvai išgaruoja kaip dujos. Fluoras atlieka panašų vaidmenį, susidarydami sieros‑fluoro junginiai, kurie atsilaisvina lengviau nei gryni sieros atomai.

Tai cheminis kelias sumažina priklausomybę nuo grynos jėgos. Vietoj to, kad būtų tikimasi, jog jonas turės tiksliai reikiamą energiją, kad išmuštų sieros atomą, gamintojai skatintų paviršių transformuoti sierą į pašalinamą molekulę. Energijos skirtumas nedidelis, bet tai ženkliai pagerina gamybos patikimumą. Platesnė energijos riba yra tai, kas paverčia kaprizingą laboratorinį demonstravimą procesu, galinčiu ištverti gamyklos kintamumą.

Pasekmės naujos kartos puslaidininkiams

Kodėl tai svarbu daugiau negu įdomus laboratorinis rezultatas? Nes selektyvus, neardomas atominių sluoksnių šalinimas atveria dizaino galimybes. Inžinieriai gali sukurti heterostruktūras, jungiančias silicių su TMD sluoksniais, sluoksniuodami medžiagas su papildančiomis elektrinėmis savybėmis, kad būtų kuriami tranzistoriai, mažesni, greitesni arba taupantys energiją. Lustų gamintojams jau dabar tenka milžiniškos išlaidos ir sudėtingumas, kai jie siekia peržengti nusistovėjusias litografijos ribas. Metodai, didinantys tikslumą be ekstremalių terminio apdorojimo reikalavimų ar egzotiškos įrangos, yra ypač patrauklūs.

Princeton vadovautų simuliacijų rezultatai paskelbti žurnale „Fizinės chemijos laiškai“, kur Yury Polyachenko yra pagrindinis autorius. Straipsnyje nurodomos tiek energijos ribos, tiek cheminiai tarpiniai junginiai, leidžiantys selektyvų apdorojimą. Komandoje yra tyrėjai iš Princeton plazmos fizikos laboratorijos ir bendradarbiai, atlikę aukštos skaičiavimo iškrovos darbus NERSC ir Princeton skaičiavimo klasteriuose.

Darbas finansuotas JAV Energetikos departamento, įskaitant Sintezės energijos mokslus ir Pagrindinius energetikos mokslus. Tyrėjai pabrėžia, kad šie rezultatai gaunami iš simuliacijų, todėl kitas žingsnis reikalauja kruopštaus eksperimentinio patvirtinimo. Tiesioginiai tęstiniai veiksmai yra aiškūs. Pirmiausia reikia kiekybiškai įvertinti, kiek tinklų pažeidimų sukelia skirtingos proceso receptūros, o ne tik ar pažeidimų atsiranda. Antra, išbandyti metodą gretimoms medžiagoms, keičiant molibdeną į volframą arba sierą į seleną, kad būtų žemėlapiuojama, kiek plačiai triukas veikia.

Ekspertų įžvalga

„Man labiausiai imponuoja chemijos elegancija, plečianti inžinerinę toleranciją“, sakė dr. Elena Martínez, puslaidininkių proceso inžinerijos specialistė, turinti dvidešimties metų patirtį plokštelių masto gamyboje. „Tai nėra naujo plazmos įtaiso išradimas. Tai paviršiaus chemijos paskatinimas, kad standartiniai plazmos įrankiai galėtų pasiekti anksčiau nepasiekiamus rezultatus. Jei eksperimentai patvirtins simuliacijas, gamyklos galės priimti palyginti paprastą paruošimo žingsnį, suteikiantį didelę naudą.“

Pramonės diegimas priklausys nuo kelių praktinių klausimų: kaip vienodai ir mastu pritaikyti deguonies ar fluoro funkcionalizavimą, kaip toks paruošimas paveiks tolesnius proceso etapus ir ar likusios cheminės liekanos nesukels ilgalaikių patikimumo problemų. Kiekvienas iš šių klausimų sprendžiamas, bet tai reikalauja kruopštaus integravimo darbo, viršijančio fizikos modelį.

Išvados

Maži cheminiai paviršiaus pakeitimai gali turėti didelį poveikį. Sumažinę energijos barjerą vieno sieros sluoksnio pašalinimui, deguonies ar fluoro funkcionalizavimas gali padaryti plazminį apdorojimą pakankamai selektyvų realiai puslaidininkių gamybai. Rezultatas nebūtų stebuklingas šuolis, o pragmatiškas patobulinimas: platesnės darbo sąlygos, mažesnis defektų skaičius ir aiškesnės galimybės derinti silicių su atominiu sluoksniu plonomis medžiagomis ateities įrenginiuose. Tolimesnis kelias veda per laboratorinį stalą ir gamyklos cechą, kai simuliacijos nurodo eksperimentus, o eksperimentai tikrina gamybinį pritaikomumą.