Krzem dotarł do ściany. Ten trik z technologią z gwiazd uratuje procesory
Sprytna sztuczka chemiczna może pomóc w opracowaniu nowej generacji maleńkich, wydajnych układów scalonych. Kluczem do sukcesu okazała się technologia rodem z wnętrza gwiazd, połączona z niezwykle precyzyjną chemią.
Przez dziesięciolecia krzem pozostawał fundamentem całej branży elektronicznej. To właśnie na nim opiera się większość współczesnych procesorów, pamięci i układów scalonych. Problem polega jednak na tym, że miniaturyzacja tranzystorów zbliża się do granic wyznaczonych przez fizykę.
Krzem jest wykorzystywany w układach scalonych od dziesięcioleci, ale inżynierowie coraz częściej napotykają na ograniczenia fizyczne tego materiału. Aby urządzenia elektroniczne były mniejsze i wydajniejsze, naukowcy badają sposoby łączenia krzemu z nowymi, ultracienkimi materiałami.
Obiecującą grupę materiałów stanowią dichalkogenki metali przejściowych (TMD). Jednym z czołowych kandydatów jest disiarczek molibdenu, materiał o grubości zaledwie trzech atomów, składający się z warstwy molibdenu pomiędzy dwiema warstwami siarki.
W przypadku przyszłych tranzystorów łączących krzem i materiały TMD, producenci mogą być zmuszeni do selektywnego usuwania atomów tylko z górnej warstwy siarki, pozostawiając niższe warstwy nienaruszone.
Jednym z powszechnych sposobów usuwania atomów powierzchniowych jest plazma, energetyczny stan materii występujący w Słońcu i innych gwiazdach. W starannie kontrolowanych warunkach cząsteczki w plazmie mogą uderzać w powierzchnię materiału TMD i wybijać atomy. Wyzwaniem jest uzyskanie wystarczającej energii, aby usunąć atomy siarki z górnej warstwy bez uszkadzania znajdującej się pod nią warstwy molibdenu. Ponieważ różnica między sukcesem a uszkodzeniem jest tak niewielka, opracowanie niezawodnego procesu okazało się trudne.
Za pomocą symulacji komputerowych naukowcy odkryli, że poddanie disiarczku molibdenu działaniu tlenu lub fluoru przed ekspozycją na plazmę może znacznie zwiększyć kontrolę nad procesem. Wyniki ich badań, któe otwierająrogę do mniejszej elektroniki, opublikowano w czasopiśmie Journal of Physical Chemistry Letters.
Tlen i fluor zwiększają margines bezpieczeństwa
Symulacje wykazały, że wstępna obróbka znacznie obniża energię potrzebną do usunięcia atomów siarki. Na nieobrobionej powierzchni, usunięcie atomu siarki wymaga około 30 elektronowoltów. Próg ten spada do około 10 elektronowoltów po dodaniu fluoru i około 14 elektronowoltów po użyciu tlenu.
Ta różnica jest istotna, ponieważ nie wszystkie jony plazmy niosą taką samą ilość energii. Niektóre mają więcej energii niż inne. Na nieobrobionej powierzchni, zakres między usunięciem atomów siarki a uszkodzeniem warstwy molibdenu poniżej jest tak mały, że niektóre jony mogą spowodować niepożądane uszkodzenia.
Obniżenie progu usuwania siarki do 10 lub 14 elektronowoltów poszerza zakres działania. W rezultacie producenci będą mieli większą swobodę w usuwaniu wierzchniej warstwy siarki w sposób czysty, zachowując jednocześnie resztę materiału.
Mechanizm ten opiera się na sprytnym przekształceniu stałego materiału w gaz. Kiedy jon plazmy uderza w powierzchnię potraktowaną wcześniej tlenem, dwa atomy tlenu łączą się z sąsiadującym atomem siarki. W tym momencie powstaje dwutlenek siarki, stabilny gaz, który w naturalny sposób samoistnie odrywa się od powierzchni i odparowuje. Fluor działa w bardzo zbliżony sposób, tworząc łatwe do usunięcia związki siarkowo-fluorowe.
Yury Polyachenko, główny autor badania z Uniwersytetu Princeton, wyjaśnia, że w tym procesie inżynierowie nie rozbijają wiązań atomowych w sposób bezpośredni za pomocą brutalnej siły. Zamiast tego chemicy tworzą pewne produkty pośrednie, takie jak chociażby wspomniany dwutlenek siarki. To właśnie ten produkt końcowy jest znacznie łatwiejszy do oderwania od podłoża przy użyciu znacznie mniejszego nakładu energii.
Więcej na Spider's Web:
Krok w stronę procesorów przyszłości
Nowa metoda otwiera drzwi do eksperymentów z całą gamą innych materiałów o podobnej strukturze. Naukowcy nie zamierzają poprzestawać na obecnych sukcesach i już planują kolejne fazy testów. Kluczowe będzie teraz dokładne zbadanie, czy proces ten nie wywołuje jakichkolwiek mikroskopijnych, trudnych do wykrycia uszkodzeń w strukturze kryształu.
Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, analogiczne podejście zostanie przetestowane na innych kombinacjach pierwiastków, na przykład poprzez zastąpienie molibdenu wolframem lub siarki selenem.
Może to dać inżynierom uniwersalne narzędzie do tworzenia hybrydowych chipów. Dzięki temu elektronika użytkowa, którą nosimy w kieszeniach, będzie mogła stać się jeszcze smuklejsza, wydajniejsza i bardziej energooszczędna, odsuwając widmo technologicznego zastoju na kolejne dekady.
Dziennikarz Spider's Web, zajmuje się tematyką militariów i obronności. Jest pasjonatem lotnictwa, broni pancernej i miłośnikiem symulatorów. Pisze o nowych technologiach, takich jak broń hipersoniczna czy laserowa. Interesuje się historią konfliktów oraz Chin i Wietnamu w XX wieku. Dziennikarzem jest od 1998 roku. Pracował w Super Expressie, Gazecie Wyborczej, Purepc. Jest autorem trzech książek poświęconych wojnie w Wietnamie. Prywatnie interesuje się również fizyką, grami, kotami i kolarstwem górskim.