At tage forskning i mikroelektronik til fremtidens atomstørrelse og videre

Hos IBM T.J. Watson Research Center i Yorktown Heights, N.Y., gemt mellem kontorborde og mødelokaler, der er cirka 40, 000 kvadratfod renrumsplads, som omfatter Microelectronics Research Lab (MRL). Disse renrum består af meget sofistikerede værktøjer drevet af et dygtigt team af ingeniører og videnskabsmænd, som bruger deres dage på at behandle siliciumwafer efter siliciumwafer, og fremstille dem til transistorer og halvlederenheder, som er hjernerne i integrerede kredsløb. For at sætte dette i perspektiv, de seneste smartphones har milliarder af disse bittesmå transistorer inde i kun én af dem.

Endnu, hold af videnskabsmænd hos IBM Research fremstiller ikke disse transistorer til nutidens smartphones. Hellere, de har et godt øje til fremtiden – travlt med at eksperimentere med prototyper af næste generation af computerchips og -enheder. I dag er deres forskning fokuseret på at skubbe grænserne for siliciumteknologi og Moores lov, herunder udvikling af næste generation af logik- og hukommelsesenheder til skalering af konventionelle computerenheder til 7nm-knuden og videre, samt fremstilling af nye kognitive og kvanteløsninger, der vil være fremtiden for computersystemer.

Faktisk, seneste, 5-qubit-enheden, der er en del af IBM Quantum Experience, blev fremstillet direkte i IBM Research MRL. At skabe nye teknologier som quantum computing er målet for IBM's MRL og for at udvikle nye enheder baseret på disse teknologier, forskere har brug for meget avancerede kapaciteter.

Et eksempel på de avancerede faciliteter i MRL er et halvlederprocesværktøj fra Tokyo Electron Limited (TEL), som giver en unik plasmaætsningsevne. Dette værktøj udvikler de processer, der er nødvendige for at mønstre og evaluere nye enheder og arkitekturer, der består af en lang række komplekse materialer, herunder III-V, carbon nanorør og nye magnetiske materialer til ikke-flygtig spin-overførselsmoment MRAM-teknologi.

Trinene til fremstilling af disse nye typer strukturer starter med at indlæse siliciumwafers i procesværktøjet. Selvom mange nye enheder lavet af nye materialer som kulstofnanorør eller grafen, er introduceret, alle er bygget på et siliciumfundament. Renrumsforhold kræver, at forskere bærer overalls eller "bunny-dragter", der dækker det meste af deres krop for at forhindre enhver risiko for kontaminering af waferne fra støv eller olie. Robotarme flytter waferne fra ladekammeret ind i plasmakammeret, hvor de behandles ved hjælp af kontrollerede gasser og strøm, under ultrahøjt vakuumforhold. Dette gøres ved at udsætte waferen for plasmafasen. Før dette trin er waflerne kun mønstret af litografi, som bliver permanente efter eksponering inde i plasmareaktoren.

Hvad sker der i plasmafasen? Ifølge Sebastian Engelmann, leder af Advanced Plasma Processing Group hos IBM Research, "Det betyder i bund og grund, at forskerne tænder et plasma-"ild" i reaktoren, som ofte lyser som en flamme og 'brænder' det originale mønster ind i oblaten. Imidlertid, det vigtigste ved denne nye plasmakilde er, at den brænder materiale af uden at efterlade aske."

I årenes løb, teamets arbejde er gået fra mikroniveau til nanoniveau, følger miniaturiseringstendensen. Som resultat, ætsningsprocessen har været nødt til at nå atomare skala dimensioner, og i dag er holdet ved at udvikle nye teknikker til atomic layer etching (ALE). "Når vi skalerer vores teknologier og bevæger os mod avancerede strukturer og enheder, det præcisionsniveau, man har brug for, når man ætser ind i siliciumsubstrater, skal være ekstremt højt, sagde Eric Joseph, senior manager og forsker i avanceret materiale og procesteknologi hos IBM. "Vi er nødt til at ætse materiale og stoppe med præcision på angstrom-niveau."

For at sætte det i perspektiv, når en bil bremser, stopper den ikke med det samme, når bremsepedalen trædes ned. Det tager en vis afstand, før bilen stopper helt. Ydeevnen for et sæt bremser på en bil er målingen af ​​den afstand, det tager at sænke farten og stoppe. "Når det kommer til at ætse nye enheder, skal vi stoppe for en skilling og ikke forbruge flere materialer. Dette er utrolig vigtigt for kulstofnanorør, grafen og 2D materialer, da deres egen tykkelse er i området to til tre ångstrøm, " sagde Joseph.

ALE giver mulighed for at ætse (fjerne) et lag atomer ad gangen fra et substrat uden at forstyrre eller beskadige de underliggende lag eller ændre dets egenskaber. Der er forskellige tilgange til ALE, og teamet hos IBM Research har udforsket flere metoder, sammen med TEL og andre partnere, for at opnå denne evne til en række forskellige materialekombinationer.

I juli, IBM Research MRL vil præsentere deres seneste resultater på den 3rd International Workshop on Atomic Layer Etching, i Dublin, Irland, hvor de udforsker en sådan lovende tilgang, der inkorporerer elektronstrålegenererede plasmaer. Arbejdet fremhæver evnen til at muliggøre ultrahøj præcisionsbearbejdning af atomisk tynde materialer såsom kulstofnanorør og/eller grafen.