Новый плазменный метод позволит создавать более компактные и мощные чипы

Исследователи из Принстонского университета и Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США нашли способ сделать компьютерные чипы будущего более компактными и мощными. Они разработали новый метод обработки ультратонких материалов с помощью плазмы, который позволяет удалять отдельные атомные слои с высокой точностью.

Кремний, десятилетиями служивший основой для чипов, постепенно достигает своих физических пределов. Для дальнейшей миниатюризации электроники учёные изучают возможность комбинирования кремния с новыми материалами, в частности, с дисульфидом молибдена (MoS₂). Этот материал толщиной всего в три атома состоит из слоя молибдена, зажатого между двумя слоями серы.

Для создания транзисторов нового типа производителям может потребоваться избирательно удалять атомы только из верхнего слоя серы, не повреждая нижележащие слои. Обычно для этого используется плазма, но сложность заключалась в том, чтобы подобрать энергию, достаточную для удаления атомов серы, но не повреждающую слой молибдена. Разница между успешным удалением и повреждением оказалась критически мала.

С помощью компьютерного моделирования исследователи выяснили, что предварительная обработка дисульфида молибдена кислородом или фтором делает процесс гораздо более контролируемым. Результаты были опубликованы в Journal of Physical Chemistry Letters.

«Мы не разрываем связи напрямую. Мы формируем промежуточные продукты, такие как диоксид серы. Этот промежуточный продукт гораздо легче оторвать», — объяснил Юрий Поляченко, аспирант-химик Принстонского университета и ведущий автор исследования.

Моделирование показало, что предварительная обработка значительно снижает энергию, необходимую для удаления атомов серы. На необработанной поверхности для этого требуется около 30 электронвольт. При использовании фтора этот порог падает до 10 эВ, а при использовании кислорода — до 14 эВ. Это создает более широкий «рабочий диапазон», давая производителям больше гибкости для чистого удаления верхнего слоя серы без повреждения остального материала.

Вместо того чтобы полагаться исключительно на физическое воздействие, учёные задействовали химию. При ударе иона по обработанной кислородом поверхности два атома кислорода соединяются с атомом серы, образуя газообразный диоксид серы, который естественным образом покидает поверхность. Фтор действует аналогично, создавая легко удаляемые соединения серы и фтора.

В дальнейшем исследователи планируют изучить степень повреждений, вызываемых процессом, и проверить, работает ли этот подход для других родственных материалов, например, при замене молибдена на вольфрам или серы на селен.