حکاکی پلاسمایی دقیق برای تراشه های نسل آینده

تصور کنید بتوان یک لایه اتمی را بدون دست زدن به آنچه زیر آن قرار دارد حذف کرد. چنین دقتی شبیه جادوی آزمایشگاهی به نظر می‌رسد. با این حال، پژوهشگران دانشگاه پرینستون و آزمایشگاه‌های وزارت انرژی ایالات متحده مسیری برای دستیابی به همین سطح از کنترل ترسیم کرده‌اند؛ مسیری که با یک پیش‌تیمار شیمیایی ظریف، نحوه برهم‌کنش پلاسما با مواد فوق‌نازک را تغییر می‌دهد.

پژوهشگران یک روش تازه تولید مبتنی بر پلاسما ایجاد کرده‌اند که می‌تواند دقت ساخت نیمه‌رساناها را افزایش دهد. این پیشرفت ممکن است با عبور صنعت از محدودیت‌های امروزی تولید، امکان ساخت تراشه‌های رایانه‌ای کوچک‌تر، سریع‌تر و کم‌مصرف‌تر را فراهم کند. 

سیلیکون دهه‌ها موتور پیشرفت در الکترونیک بوده است، اما این ماده از نظر اندازه و عملکرد به محدودیت‌های عملی نزدیک می‌شود. برای فشرده‌کردن توان پردازشی بیشتر درون یک تراشه، مهندسان به سراغ مواد اتمی فوق‌نازکی رفته‌اند که می‌توانند در ترانزیستورهای آینده در کنار سیلیکون به کار گرفته شوند. یکی از نامزدهای برجسته، دی‌سولفید مولیبدن است که در علم مواد با فرمول MoS2 شناخته می‌شود. ماده‌ای به ضخامت سه اتم، فشرده و بسیار امیدبخش.

چگونه یک لایه شیمیایی بسیار نازک شرایط را تغییر می‌دهد

MoS2 به خانواده‌ای به نام دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه تعلق دارد. یک ساندویچ را تصور کنید: صفحه‌ای از اتم‌های مولیبدن که میان دو لایه گوگرد قرار گرفته است. در طراحی‌های پیشرفته قطعات الکترونیکی، تولیدکنندگان ممکن است لازم داشته باشند فقط لایه بالایی گوگرد را بردارند و در عین حال مولیبدن و لایه پایینی گوگرد را دست‌نخورده نگه دارند. این مسئله به دقتی در حد لبه تیغ نیاز دارد. انرژی بیش از اندازه، به اتم‌های زیرین آسیب می‌زند. انرژی کمتر از حد لازم نیز باعث می‌شود لایه بالایی همچنان سرسختانه متصل باقی بماند.

نمایی از یک ویدیوی شبیه‌سازی نشان می‌دهد که یک یون پلاسما به رنگ بنفش، اتم‌ها را از دسته‌ای از مواد بسیار نازک به نام دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه جدا می‌کند. این ماده می‌تواند جایگزینی ایده‌آل برای سیلیکون در تراشه‌های رایانه‌ای باشد. یک لایه از اتم‌های مولیبدن به رنگ آبی میان دو لایه گوگرد به رنگ سبز قرار گرفته است. این ماده با اکسیژن به رنگ قرمز پوشش داده شده است تا هنگام برخورد یون پلاسما، گوگرد و اکسیژن با هم پیوند برقرار کنند و دی‌اکسید گوگرد بسازند. به این ترتیب، لایه بالایی گوگرد بدون آسیب‌زدن به مولیبدن زیر آن برداشته می‌شود. 

حکاکی پلاسمایی سنتی تا حد زیادی بر برخوردهای جنبشی تکیه دارد: یون‌های موجود در پلاسما به سطح برخورد می‌کنند و اتم‌ها را به شکل فیزیکی از جای خود بیرون می‌رانند. اما انرژی این یون‌ها یکسان نیست و در یک طیف توزیع می‌شود. بر اساس شبیه‌سازی‌ها، در MoS2 تیمارنشده، حذف یک اتم گوگرد به حدود ۳۰ الکترون‌ولت انرژی نیاز دارد. این مقدار به شکل نگران‌کننده‌ای به آستانه‌ای نزدیک است که می‌تواند به لایه مولیبدن زیرین آسیب بزند. در شرایط واقعی کارخانه، بخشی از یون‌ها ناگزیر از حاشیه ایمنی عبور می‌کنند و آسیب ایجاد می‌کنند.

روش تازه این روند را معکوس می‌کند و اجازه می‌دهد شیمی بخش اصلی کار را انجام دهد. این گروه با استفاده از شبیه‌سازی‌های مبتنی بر اصول اولیه دریافت که پوشاندن سطح MoS2 با اکسیژن یا فلوئور پیش از قرارگیری در معرض پلاسما، انرژی لازم برای حذف گوگرد سطحی را کاهش می‌دهد. پوشش فلوئور می‌تواند انرژی مورد نیاز را به حدود ۱۰ الکترون‌ولت برساند و اکسیژن آن را تا حدود ۱۴ الکترون‌ولت پایین می‌آورد. این گسترش پنجره عملیاتی به تولیدکنندگان امکان می‌دهد شرایط پلاسما را طوری تنظیم کنند که فقط لایه بالایی گوگرد جدا شود و آسیب جانبی بسیار کمتری رخ دهد.

وقتی یک یون با سطحی که از نظر شیمیایی آماده‌سازی شده برخورد می‌کند، دقیقا چه اتفاقی می‌افتد؟ شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند یون ورودی می‌تواند تشکیل مولکول‌های کوچک و فرار را آغاز کند. در حضور اکسیژن، دو اتم اکسیژن با یک اتم گوگرد مجاور ترکیب می‌شوند و دی‌اکسید گوگرد می‌سازند؛ مولکولی که به‌راحتی به صورت گاز از سطح جدا می‌شود. فلوئور نیز نقشی مشابه دارد و گونه‌های گوگردی فلوئوردار ایجاد می‌کند که بسیار آسان‌تر از اتم‌های خام گوگرد جدا می‌شوند.

این مسیر شیمیایی وابستگی به نیروی صرف را کاهش می‌دهد. به جای آنکه تولیدکنندگان امیدوار باشند یک یون دقیقا انرژی مناسب برای جداکردن اتم گوگرد را داشته باشد، سطح را به گونه‌ای هدایت می‌کنند که گوگرد را به مولکولی قابل حذف تبدیل کند. این تغییر از نظر انرژی کوچک است، اما از نظر پایداری فرایند تولید اهمیت زیادی دارد. حاشیه انرژی گسترده‌تر همان چیزی است که یک نمایش حساس آزمایشگاهی را به فرایندی تبدیل می‌کند که می‌تواند نوسان‌های یک کارخانه ساخت تراشه را تحمل کند.

پیامدها برای نیمه‌رساناهای نسل آینده

چرا این موضوع فراتر از یک نتیجه جذاب آزمایشگاهی اهمیت دارد؟ زیرا حذف انتخابی و غیرمخرب لایه‌های اتمی، امکانات طراحی تازه‌ای ایجاد می‌کند. مهندسان می‌توانند ناهم‌ساختارهایی را تصور کنند که سیلیکون را با لایه‌های دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه ترکیب می‌کنند و موادی با ویژگی‌های الکتریکی مکمل را روی هم می‌چینند تا ترانزیستورهایی کوچک‌تر، سریع‌تر یا کم‌مصرف‌تر بسازند. سازندگان تراشه همین حالا نیز با هزینه و پیچیدگی عظیمی روبه‌رو هستند، زیرا می‌کوشند از محدودیت‌های جاافتاده لیتوگرافی عبور کنند. فناوری‌هایی که بدون نیاز به بودجه حرارتی شدید یا تجهیزات نامتعارف، دقت بیشتری ایجاد می‌کنند، برای صنعت نیمه‌رسانا بسیار جذاب‌اند.

شبیه‌سازی‌های انجام‌شده به رهبری پرینستون در مجله «نامه‌های شیمی فیزیک» منتشر شد و یوری پولیاچنکو نویسنده اصلی آن است. این مقاله هم آستانه‌های انرژی و هم واسطه‌های شیمیایی را شناسایی می‌کند که امکان پردازش انتخابی را فراهم می‌سازند. این گروه شامل پژوهشگرانی از آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون و همکارانی است که محاسبات با کارایی بالا را در مرکز نرسک و خوشه‌های محاسباتی پرینستون انجام داده‌اند.

این پژوهش با حمایت وزارت انرژی ایالات متحده، از جمله بخش علوم انرژی همجوشی و علوم پایه انرژی انجام شد. پژوهشگران تأکید می‌کنند که این نتایج حاصل شبیه‌سازی است، بنابراین گام‌های بعدی به اعتبارسنجی تجربی دقیق نیاز دارد. پیگیری‌های فوری روشن‌اند. نخست، باید مشخص شود دستورالعمل‌های فرایندی مختلف چه میزان آسیب شبکه بلوری ایجاد می‌کنند، نه اینکه فقط وجود یا نبود آسیب بررسی شود. دوم، لازم است این روش روی مواد بسیار نزدیک به هم نیز آزمایش شود؛ برای نمونه با جایگزینی مولیبدن با تنگستن یا گوگرد با سلنیوم، تا مشخص شود این ترفند تا چه اندازه کاربرد گسترده دارد.

دیدگاه کارشناس

دکتر النا مارتینز، مهندس فرایند نیمه‌رسانا با دو دهه تجربه در ساخت در مقیاس ویفر، گفت: «آنچه برای من هیجان‌انگیز است، ظرافت استفاده از شیمی برای گسترش تلرانس مهندسی است. این موضوع درباره اختراع یک تفنگ پلاسمای تازه نیست. مسئله این است که شیمی سطح را کمی هدایت کنیم تا ابزارهای استاندارد پلاسما بتوانند به نتایجی برسند که پیش از این ممکن نبود. اگر آزمایش‌ها شبیه‌سازی‌ها را تأیید کنند، کارخانه‌های ساخت تراشه می‌توانند یک مرحله آماده‌سازی نسبتا ساده را به کار بگیرند که مزایایی بسیار فراتر از پیچیدگی آن به همراه دارد.»

پذیرش صنعتی به چند موضوع عملی بستگی خواهد داشت: چگونگی اعمال یکنواخت عامل‌دارسازی با اکسیژن یا فلوئور در مقیاس بزرگ، اثر این آماده‌سازی بر مراحل بعدی فرایند، و اینکه آیا گونه‌های باقیمانده می‌توانند نگرانی‌هایی برای قابلیت اطمینان بلندمدت ایجاد کنند یا نه. هر یک از این پرسش‌ها قابل پاسخ‌گویی است، اما فراتر از مدل فیزیکی، به کار دقیق در یکپارچه‌سازی فرایند نیاز دارد.

جمع‌بندی

تغییرات شیمیایی کوچک روی یک سطح می‌توانند اثراتی بسیار بزرگ داشته باشند. با کاهش سد انرژی برای حذف یک لایه گوگرد، عامل‌دارسازی با اکسیژن یا فلوئور می‌تواند پردازش پلاسمایی را به اندازه‌ای انتخابی کند که برای تولید واقعی نیمه‌رساناها مناسب باشد. نتیجه، یک جهش جادویی نیست، بلکه بهبودی عمل‌گرایانه است: پنجره‌های عملیاتی گسترده‌تر، نرخ نقص کمتر و مسیرهایی روشن‌تر برای ترکیب سیلیکون با مواد اتمی فوق‌نازک در دستگاه‌های فردا. مسیر پیش رو از میز آزمایشگاه و کف کارخانه ساخت تراشه می‌گذرد، جایی که شبیه‌سازی‌ها آزمایش‌ها را هدایت می‌کنند و آزمایش‌ها قابلیت تولیدپذیری را می‌سنجند.