原子层蚀刻技术或将带来更强大的微芯片和超级计算机

在近60年的时间里，信息时代给了世界互联网、智能手机和快如闪电的计算机。这是因为每两年可装入计算机芯片的晶体管数量增加了一倍左右，从而产生了数十亿个原子尺度的晶体管，其可以装入一个指甲大小的设备。甚至个别原子也可以在这种“原子长度”的长度内被观察和计数。

物理极限

随着这种翻倍达到其物理极限，美国能源部(DOE)的普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)已经加入了工业界的努力以延长这一过程并寻找新的技术来制造更强大、更高效和更经济的芯片。在跟全球芯片制造设备生产商Lam Research Corp.签订的合作研究与开发协议下进行的第一项PPPL研究中，实验室科学家通过使用建模正确预测了原子级芯片生产中的一个基本阶段。

“这将是整个过程中的一个小环节，”负责低温等离子体表面相互作用的实验室副主任、普林斯顿大学化学和生物工程系教授David Graves说道，“通过建模获得的见解可以导致各种好事，这就是为什么实验室的这项工作有一些希望。”据悉，Graves是《Journal of Vacuum Science & Technology B》上一篇概述该研究结果的论文的共同作者。

Graves表示：“迄今为止，工业界已经成功地使用经验方法来开发创新的新工艺，但更深入的基本了解将加速这一进程。基础研究需要时间，另外并不需要工业界总是拥有的专业知识。这为实验室承担这项工作创造了强大的动力。”

PPPL的科学家们则对“原子层蚀刻(ALE)”进行了建模。这是一个越来越关键的制造步骤，旨在一次从一个表面去除单个原子层。这一过程可用于在硅片上的薄膜上蚀刻复杂的三维结构，其关键尺寸比人的头发还要细几千倍。

基本一致

PPPL的博士后、该期刊论文的第一作者Joseph Vella表示：“作为第一步，模拟结果基本上跟实验一致并可能导致对使用ALE进行原子尺度蚀刻的理解的改进。而这一切都始于建立我们对原子层蚀刻的基本理解。”他指出，理解的提高将使PPPL能调查诸如表面损伤的程度和ALE期间形成的粗糙度。

据了解，该模型模拟了依次使用氯气和氩气等离子体离子来控制原子尺度上的硅蚀刻过程。等离子体或电离气体是一种由自由电子、带正电的离子和中性分子组成的混合物。用于半导体设备加工的等离子体接近室温，这跟核聚变实验中使用的超高温等离子体相反。

Graves表示：“Lam Research的一个令人惊讶的经验性发现是，当离子能量比我们开始时的能量高得多时，ALE过程会变得特别有效。因此，这将是我们下一步的模拟工作--看看我们是否能理解当离子能量高得多时发生了什么及为什么它这么好。”

展望未来，Graves指出--“整个半导体行业正在考虑在材料和要使用的设备类型方面进行重大扩展，而这种扩展也必须以原子级的精度进行处理。美国的目标是在利用科学解决重要的工业问题方面引领世界，而我们的工作是其中的一部分。”