Нова плазмова технологія відкриває шлях до масового виробництва мікрочипів майбутнього

22 июня 2026 г., 16:35

Всередині сучасних комп'ютерних чипів розміщені мільярди мікроскопічних кремнієвих транзисторів. Проте цей матеріал стрімко наближається до своїх фізичних лімітів. У прагненні створити ще менші та потужніші пристрої, вчені досліджують можливість комбінування кремнію з надтонкими двовимірними матеріалами - дихалькогенідами перехідних металів (TMD).

Одним із найперспективніших кандидатів у цій групі є дисульфід молібдену (MoS₂). Його товщина становить усього три атоми: один шар молібдену, затиснутий між двома шарами сірки. Проте інтеграція цього матеріалу у кремнієві чипи зіткнулася з серйозною технологічною перешкодою. Спільна команда дослідників із Принстонського університету та Принстонської лабораторії фізики плазми (PPPL) Департаменту енергетики США (DOE) знайшла розв'язання цієї проблеми, опублікувавши результати у виданні Journal of Physical Chemistry Letters.

Щоб сформувати транзистор із матеріалу TMD, виробникам необхідно видалити атоми виключно з верхнього шару сірки, не зачепивши та не пошкодивши шари під ним. Традиційний метод передбачає використання плазми - іони бомбардують поверхню матеріалу і вибивають потрібні атоми. Тут інженери стикаються з критично вузьким вікном: якщо вдарити по матеріалу занадто слабо, верхній шар сірки залишиться на місці; якщо ж вдарити сильніше - руйнується розташований нижче шар молібдену, що робить чип непридатним.

Комп'ютерне моделювання, проведене вченими, показало: якщо перед обробкою плазмою покрити дисульфід молібдену фтором або киснем, ризик пошкодження нижніх шарів зводиться до мінімуму.

Дослідники з'ясували, що енергія, необхідна для вибивання атома сірки, кардинально знижується залежно від хімічної обробки: на необробленій поверхні вона становить приблизно 30 електронвольт (еВ); при покритті фтором поріг падає до ~10 еВ; при покритті киснем - до ~14 еВ. Це зниження є вирішальним. Іони плазми не мають абсолютно однакової енергії - під час бомбардування завжди є певний розкид. На чистій поверхні цей розкид неминуче призводить до того, що частина іонів потрапляє в «зону руйнування» молібдену. Зниження порогу до 10–14 еВ суттєво розширює безпечний діапазон енергій для виробників: верхній шар сірки знімається чисто, а решта матеріалу залишається неушкодженою.

Замість того щоб покладатися виключно на грубу фізичну силу кінетичного удару, вчені змусили працювати хімію. Коли іон плазми вдаряє по поверхні, покритій киснем, два атоми кисню та сусідній атом сірки об'єднуються в діоксид сірки (SO₂) - стабільний газ, який просто випаровується сам по собі. Аналогічно діє і фтор, утворюючи леткі сполуки сірки та фтору.

«Ми не розриваємо зв'язки напряму, - пояснює Юрій Поляченко (Yury Polyachenko), аспірант хімічного факультету Принстонського університету та провідний автор дослідження. - Ми формуємо проміжні продукти, такі як діоксид сірки. А цей проміжний продукт відірвати набагато простіше».

Тепер дослідники планують детально вивчити рівень мікроскопічних дефектів, які все ж можуть виникати під час такого процесу. Наступним кроком стане перевірка того, чи працює цей метод для споріднених напівпровідникових матеріалів - наприклад, при заміні молібдену на вольфрам, а сірки - на селен. Це дозволить оцінити, наскільки масштабованою є нова технологія в межах усієї індустрії мікроелектроніки.

Робота фінансувалася Офісом науки Міністерства енергетики США (DOE) в рамках діяльності Центру інновацій в екстремальній літографії та матеріалах (Extreme Lithography & Materials Innovation Center). Обчислювальне моделювання проводилося на суперкомп'ютерах Національного науково-дослідного комп'ютерного центру енергетичних технологій (NERSC) в Берклі, а також на кластерах Stellar, Della та Tiger у Принстоні.