En près de 60 ans, l’ère de l’information a donné au monde l’internet, les téléphones intelligents et les ordinateurs rapides comme l’éclair. Cela a été rendu possible par le fait que le nombre de transistors pouvant être placés sur une puce d’ordinateur a été multiplié par deux tous les deux ans, ce qui a donné des milliards de transistors à l’échelle atomique pouvant tenir sur un dispositif de la taille d’un ongle. Même les atomes individuels peuvent être observés et comptés dans ces longueurs “d’échelle atomique”.
Limite physique
Ce doublement atteignant sa limite physique, le laboratoire de physique des plasmas de Princeton du ministère américain de l’énergie (DOE) (PPPL) s’est joint aux efforts de l’industrie pour prolonger le processus et trouver de nouvelles techniques pour fabriquer des puces toujours plus puissantes, efficaces et rentables. Dans la première recherche du PPPL menée dans le cadre d’un accord de coopération en matière de recherche et de développement (CRADA) avec Lam Research Corp, un producteur mondial d’équipements de fabrication de puces, les scientifiques du laboratoire ont correctement prédit une phase fondamentale de la production de puces à l’échelle atomique grâce à la modélisation.
“Il s’agit d’une petite pièce dans l’ensemble du processus”, a déclaré David Graves, directeur associé du laboratoire pour les basses températures. plasma à basse température interactions de surface, professeur au département d’ingénierie chimique et biologique de Princeton et co-auteur d’un article décrivant les résultats de l’étude. Journal of Vacuum Science & ; Technology B. Les connaissances acquises par la modélisation, dit-il, “peuvent conduire à toutes sortes de bonnes choses, et c’est pourquoi cet effort du laboratoire est prometteur”.
Le physicien Joseph Vella, à gauche, et David Graves avec les chiffres de leur article. Crédit : Ben Marshall pour la photo de Vella ; photo de Graves avec l’aimable autorisation du Département de génie chimique et biologique de l’Université de Princeton. Collage par Kiran Sudarsanan
Bien que le rétrécissement ne puisse pas durer plus longtemps, “il n’a pas complètement pris fin”, a-t-il déclaré. “L’industrie a réussi jusqu’à présent à utiliser principalement des méthodes empiriques pour développer de nouveaux procédés innovants, mais une compréhension fondamentale plus approfondie accélérera ce processus. Les études fondamentales prennent du temps et requièrent une expertise dont l’industrie ne dispose pas toujours”, a-t-il ajouté. “Cela incite fortement les laboratoires à se charger de ce travail”.
Les scientifiques du PPPL ont modélisé ce que l’on appelle la “gravure en couche atomique” (ALE), une étape de fabrication de plus en plus critique qui vise à retirer des couches atomiques uniques d’une surface à la fois. Ce processus peut être utilisé pour graver des structures tridimensionnelles complexes dont les dimensions critiques sont des milliers de fois plus fines qu’un cheveu humain dans un film sur une tranche de silicium.
Accord de base
“Les simulations concordent fondamentalement avec les expériences dans un premier temps et pourraient permettre de mieux comprendre l’utilisation de l’ALE pour la gravure à l’échelle atomique”, a déclaré Joseph Vella, chercheur post-doctoral au PPPL et auteur principal de l’article. Une meilleure compréhension permettra au PPPL d’étudier des éléments tels que l’étendue des dommages causés à la surface et le degré de rugosité développé pendant l’ELA, a-t-il ajouté, “et tout cela commence par une meilleure compréhension fondamentale de la gravure en couche atomique”.
Le modèle a simulé l’utilisation séquentielle d’ions de chlore gazeux et de plasma d’argon pour contrôler le processus de gravure du silicium à l’échelle atomique. Le plasma, ou gaz ionisé, est un mélange composé d’électrons libres, d’ions chargés positivement et de molécules neutres. Le plasma utilisé dans le traitement des dispositifs à semi-conducteurs est proche de la température ambiante, contrairement au plasma ultra chaud utilisé dans les expériences de fusion.
“Une découverte empirique surprenante de Lam Research est que le processus ALE est devenu particulièrement efficace lorsque les énergies des ions étaient bien plus élevées que celles avec lesquelles nous avons commencé”, a déclaré Graves. “Ce sera donc notre prochaine étape dans les simulations – pour voir si nous pouvons comprendre ce qui se passe lorsque l’énergie des ions est beaucoup plus élevée et pourquoi c’est si bon.”
À l’avenir, “l’industrie des semi-conducteurs dans son ensemble envisage une expansion majeure des matériaux et des types de dispositifs à utiliser, et cette expansion devra également être traitée avec une précision à l’échelle atomique”, a-t-il déclaré. “L’objectif des États-Unis est de mener le monde en utilisant la science pour résoudre d’importants problèmes industriels, a-t-il ajouté, et notre travail en fait partie.”
Référence : “Étude de la dynamique moléculaire de la gravure de la couche atomique du silicium par le gaz chorine et les ions argon” par Joseph R. Vella, David Humbird et David B. Graves, 10 février 2022, Journal of Vacuum Science & ; TechnologyB.
DOI : 10.1116/6.0001681
Cette étude a été partiellement soutenue par le DOE Office of Science. Les coauteurs sont David Humbird de DWH Consulting à Centennial, Colorado.
PPPL, sur Université de PrincetonLe PPPL, situé sur le campus Forrestal de l’université de Princeton à Plainsboro, dans le New Jersey, se consacre à la création de nouvelles connaissances sur la physique des plasmas – des gaz chargés ultra chauds – et au développement de solutions pratiques pour la création d’énergie de fusion.
