- 27,632
- 46
- 8 Ноя 2022
Кремний скоро упрётся в свой предел — а его замену уже научились обрабатывать почти без косяков.
В современных чипах миллиарды транзисторов работают на кремнии , но уменьшать такие элементы становится всё сложнее. Инженеры ищут материалы , которые можно будет использовать рядом с кремнием в более тонких и плотных устройствах. Один из главных кандидатов - дисульфид молибдена, или MoS₂. Этот материал состоит всего из трёх атомных слоёв: слой молибдена находится между двумя слоями серы.
Дисульфид молибдена относится к дихалькогенидам переходных металлов. Это класс сверхтонких материалов, которые хорошо подходят для электроники будущего: их можно делать почти атомарной толщины, а электрические свойства остаются полезными для транзисторов и других элементов. Проблема в том, что работать с такими материалами приходится почти поатомно. Иногда производителю нужно убрать только верхний слой серы и не повредить слой молибдена под ним.
Для такой обработки обычно используют плазму. Это ионизированный газ, в котором есть заряженные частицы. В производстве микросхем плазма помогает травить материалы, удалять отдельные слои и формировать нужную структуру. Когда ионы из плазмы ударяют по поверхности MoS₂, они могут выбивать атомы серы. Но здесь нужен очень точный режим: слишком слабый удар не снимет верхний слой, слишком сильный повредит молибденовую часть.
Исследователи проверили , можно ли расширить этот узкий рабочий диапазон. Они смоделировали обработку дисульфида молибдена и выяснили, что предварительное покрытие поверхности кислородом или фтором помогает удалять атомы серы мягче. В этом случае плазме не нужно буквально выбивать серу только силой удара. Химия берёт часть работы на себя.
На необработанной поверхности, по расчётам команды, для удаления атома серы требуется около 30 электрон-вольт. После покрытия фтором порог падает примерно до 10 электрон-вольт, после покрытия кислородом - примерно до 14 электрон-вольт. Электрон-вольт - это единица энергии, которой удобно описывать процессы на уровне атомов и частиц.
Разница важна из-за того, как работает сама плазма. Ионы в ней не летят к поверхности с абсолютно одинаковой энергией. Одни частицы ударяют слабее, другие сильнее. Если порог удаления серы слишком близок к энергии, при которой уже начинается повреждение молибдена, часть ионов неизбежно попадёт в опасный диапазон. Обработка станет неровной: где-то верхний слой снимется, а где-то материал под ним получит дефекты.
Кислород и фтор меняют ситуацию. Когда поверхность заранее покрыта такими атомами, верхний слой серы легче отрывается от кристалла. Для производителя это означает более широкий технологический коридор: можно подобрать энергию плазмы так, чтобы верхняя сера уходила, а нижний слой оставался целым. Именно такая избирательность нужна для будущих транзисторов, где каждый атомный слой влияет на работу устройства.
Когда ион плазмы ударяет по поверхности, рядом оказываются атомы кислорода и атом серы. Они могут соединиться в молекулу диоксида серы, SO₂. Это стабильный газ, который уже легче уходит с поверхности. Вместо грубого разрыва связей в кристалле получается промежуточный химический шаг: сера сначала связывается с кислородом, а затем покидает материал в составе новой молекулы.
Фтор действует похожим образом, но образует соединения серы с фтором. В обоих случаях исследователи предлагают не повышать силу удара, а заранее подготовить поверхность так, чтобы нужный атом легче отделялся. Такой подход полезен для сверхтонких материалов, где лишняя энергия быстро превращается в повреждение соседнего слоя.
Работа пока основана на компьютерном моделировании, а не на готовой производственной линии. Но такие расчёты помогают заранее понять, какие режимы плазмы стоит проверять в экспериментах. В микропроизводстве это важно: подбор параметров методом проб и ошибок дорог, а повреждение атомарно тонкого материала может полностью испортить будущий транзистор.
Следующий этап - оценить не только сам факт повреждений, но и их масштаб. Учёным нужно понять, сколько дефектов остаётся после обработки, где именно они появляются и как влияют на электрические свойства MoS₂. Для чипов недостаточно аккуратно снять один слой на отдельном участке. Процесс должен стабильно работать на больших площадях и давать повторяемый результат.
Команда также хочет проверить, насколько метод применим к родственным материалам. В дихалькогенидах переходных металлов можно менять металл и халькоген: например, заменить молибден на вольфрам или серу на селен. Если предварительная обработка кислородом или фтором поможет и в этих случаях, у производителей появится более общий способ точной плазменной обработки сверхтонких полупроводников .
Для будущих чипов эта задача важна не меньше новых архитектур. Кремний, вероятно, ещё долго останется основой электроники, но рядом с ним могут появиться атомарно тонкие материалы с другими свойствами. Чтобы встроить их в производство, инженерам нужно научиться не просто выращивать такие слои, а обрабатывать их без лишних дефектов. Новый расчёт показывает один из путей: сначала ослабить нужные связи химически, а уже потом аккуратно снять верхний атомный слой плазмой.
В современных чипах миллиарды транзисторов работают на кремнии , но уменьшать такие элементы становится всё сложнее. Инженеры ищут материалы , которые можно будет использовать рядом с кремнием в более тонких и плотных устройствах. Один из главных кандидатов - дисульфид молибдена, или MoS₂. Этот материал состоит всего из трёх атомных слоёв: слой молибдена находится между двумя слоями серы.
Дисульфид молибдена относится к дихалькогенидам переходных металлов. Это класс сверхтонких материалов, которые хорошо подходят для электроники будущего: их можно делать почти атомарной толщины, а электрические свойства остаются полезными для транзисторов и других элементов. Проблема в том, что работать с такими материалами приходится почти поатомно. Иногда производителю нужно убрать только верхний слой серы и не повредить слой молибдена под ним.
Для такой обработки обычно используют плазму. Это ионизированный газ, в котором есть заряженные частицы. В производстве микросхем плазма помогает травить материалы, удалять отдельные слои и формировать нужную структуру. Когда ионы из плазмы ударяют по поверхности MoS₂, они могут выбивать атомы серы. Но здесь нужен очень точный режим: слишком слабый удар не снимет верхний слой, слишком сильный повредит молибденовую часть.
Исследователи проверили , можно ли расширить этот узкий рабочий диапазон. Они смоделировали обработку дисульфида молибдена и выяснили, что предварительное покрытие поверхности кислородом или фтором помогает удалять атомы серы мягче. В этом случае плазме не нужно буквально выбивать серу только силой удара. Химия берёт часть работы на себя.
На необработанной поверхности, по расчётам команды, для удаления атома серы требуется около 30 электрон-вольт. После покрытия фтором порог падает примерно до 10 электрон-вольт, после покрытия кислородом - примерно до 14 электрон-вольт. Электрон-вольт - это единица энергии, которой удобно описывать процессы на уровне атомов и частиц.
Разница важна из-за того, как работает сама плазма. Ионы в ней не летят к поверхности с абсолютно одинаковой энергией. Одни частицы ударяют слабее, другие сильнее. Если порог удаления серы слишком близок к энергии, при которой уже начинается повреждение молибдена, часть ионов неизбежно попадёт в опасный диапазон. Обработка станет неровной: где-то верхний слой снимется, а где-то материал под ним получит дефекты.
Кислород и фтор меняют ситуацию. Когда поверхность заранее покрыта такими атомами, верхний слой серы легче отрывается от кристалла. Для производителя это означает более широкий технологический коридор: можно подобрать энергию плазмы так, чтобы верхняя сера уходила, а нижний слой оставался целым. Именно такая избирательность нужна для будущих транзисторов, где каждый атомный слой влияет на работу устройства.
Когда ион плазмы ударяет по поверхности, рядом оказываются атомы кислорода и атом серы. Они могут соединиться в молекулу диоксида серы, SO₂. Это стабильный газ, который уже легче уходит с поверхности. Вместо грубого разрыва связей в кристалле получается промежуточный химический шаг: сера сначала связывается с кислородом, а затем покидает материал в составе новой молекулы.
Фтор действует похожим образом, но образует соединения серы с фтором. В обоих случаях исследователи предлагают не повышать силу удара, а заранее подготовить поверхность так, чтобы нужный атом легче отделялся. Такой подход полезен для сверхтонких материалов, где лишняя энергия быстро превращается в повреждение соседнего слоя.
Работа пока основана на компьютерном моделировании, а не на готовой производственной линии. Но такие расчёты помогают заранее понять, какие режимы плазмы стоит проверять в экспериментах. В микропроизводстве это важно: подбор параметров методом проб и ошибок дорог, а повреждение атомарно тонкого материала может полностью испортить будущий транзистор.
Следующий этап - оценить не только сам факт повреждений, но и их масштаб. Учёным нужно понять, сколько дефектов остаётся после обработки, где именно они появляются и как влияют на электрические свойства MoS₂. Для чипов недостаточно аккуратно снять один слой на отдельном участке. Процесс должен стабильно работать на больших площадях и давать повторяемый результат.
Команда также хочет проверить, насколько метод применим к родственным материалам. В дихалькогенидах переходных металлов можно менять металл и халькоген: например, заменить молибден на вольфрам или серу на селен. Если предварительная обработка кислородом или фтором поможет и в этих случаях, у производителей появится более общий способ точной плазменной обработки сверхтонких полупроводников .
Для будущих чипов эта задача важна не меньше новых архитектур. Кремний, вероятно, ещё долго останется основой электроники, но рядом с ним могут появиться атомарно тонкие материалы с другими свойствами. Чтобы встроить их в производство, инженерам нужно научиться не просто выращивать такие слои, а обрабатывать их без лишних дефектов. Новый расчёт показывает один из путей: сначала ослабить нужные связи химически, а уже потом аккуратно снять верхний атомный слой плазмой.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
