Silicij je udario u zid: Kako će kemijski trik sa zvjezdanom plazmom spasiti buduće procesore
Desetljećima je silicij neprikosnoveni temelj cijele elektroničke industrije, čineći bazu za gotovo sve moderne procesore, memorije i integrirane krugove. Međutim, proces minijaturizacije tranzistora neumoljivo se približava nepremostivim granicama fizike.
Inženjeri se danas sve češće suočavaju s nepremostivim fizičkim ograničenjima ovog materijala. Kako bi elektronički uređaji nastavili postajati manji, brži i energetski učinkovitiji, znanstvenici užurbano istražuju metode kombiniranja silicija s novim, ultratankim 2D materijalima. Iznimno obećavajuću skupinu u tom kontekstu čine dihalkogenidi prijelaznih metala (TMD). Među njima je trenutno vodeći kandidat molibden disulfid – materijal debeo svega tri atoma, u kojem se sloj molibdena nalazi “sendvičast” između dva vanjska sloja sumpora. Razvoj budućih tranzistora, koji spajaju silicij i TMD materijale, od proizvođača će zahtijevati nevjerojatnu preciznost, poput selektivnog uklanjanja atoma isključivo iz gornjeg sloja sumpora, dok donji slojevi moraju ostati potpuno netaknuti.
Standardna metoda za uklanjanje površinskih atoma u poluvodičkoj industriji oslanja se na plazmu – visokoenergetsko stanje materije kakvo nalazimo u Suncu i ostalim zvijezdama. Pod strogo kontroliranim uvjetima, ubrzane čestice u plazmi bombardiraju površinu TMD materijala i doslovno izbijaju atome. Glavni inženjerski izazov ovdje je stvoriti plazmu s točno onoliko energije koliko je potrebno za uklanjanje gornjeg sloja sumpora, a da se pritom ne ošteti osjetljivi podosnovni sloj molibdena. Budući da je margina za pogrešku u ovom procesu mikroskopska, razvoj pouzdane proizvodne metode dugo je bio kamen spoticanja. Koristeći računalne simulacije, istraživači su otkrili da tretiranje molibden disulfida kisikom ili fluorom prije samog izlaganja plazmi dramatično povećava kontrolu nad procesom. Njihovi nalazi, koji otvaraju vrata novoj generaciji još manje elektronike, objavljeni su u prestižnom časopisu Journal of Physical Chemistry Letters.
Kisik i fluor šire proizvodne tolerancije
Simulacije su pokazale da ova kemijska predobrada drastično smanjuje energetski prag potreban za uklanjanje atoma sumpora. Na netretiranoj površini, za izbijanje atoma sumpora potrebna je energija od oko 30 elektronvolti. Nakon uvođenja fluora, taj prag opada na svega 10 elektronvolti, dok s kisikom iznosi oko 14 elektronvolti.
Ova je razlika ključna jer u realnim uvjetima svi ioni u plazmi ne nose identičnu količinu energije – energetski spektar čestica uvijek varira. Na čistoj, netretiranoj površini, granica između uspješnog uklanjanja sumpora i nepovratnog oštećenja sloja molibdena toliko je uska da visokofrekventni ioni redovito uzrokuju strukturne defekte na čipu. Spuštanjem energetskog praga na 10 ili 14 elektronvolti dramatično se proširuje sigurni radni prozor (processing window). Proizvođači čipova time dobivaju prijeko potrebnu fleksibilnost da potpuno čisto “ogule” gornji sloj sumpora, dok ostatak kristalne rešetke ostaje savršeno očuvan.
Cijeli se mehanizam zapravo oslanja na elegantnu pretvorbu čvrste tvari u plin. Kada ion plazme pogodi površinu koja je prethodno tretirana kisikom, dva atoma kisika spajaju se sa susjednim atomom sumpora. Rezultat je sumporov dioksid – stabilan plin koji se prirodno odvaja od površine i jednostavno isparava iz vakuumske komore. Fluor funkcionira na gotovo identičan način, stvarajući lako hlapljive spojeve sumpora i fluora. Jurij Poljačenko, glavni autor ove studije sa Sveučilišta Princeton, ističe da u ovom procesu inženjeri više ne moraju kidati atomske veze sirovom kinetičkom silom. Umjesto toga, pametnom upotrebom kemije stvaraju se međuproizvodi, poput spomenutog sumpornog dioksida, koje je potom daleko lakše i uz minimalan utrošak energije odvojiti od baze čipa.
