Bij de IBM T.J. Watson onderzoekscentrum in Yorktown Heights, NY, verscholen tussen bureaus en vergaderruimtes, er zijn er ongeveer 40, 000 vierkante voet cleanroomruimte die het Microelectronics Research Lab (MRL) omvat. Deze cleanrooms bestaan ​​uit zeer geavanceerde tools die worden beheerd door een bekwaam team van ingenieurs en wetenschappers die hun dagen besteden aan het verwerken van siliciumwafel na siliciumwafel, en ze te fabriceren tot transistors en halfgeleiders, die het brein zijn van geïntegreerde schakelingen. Om dit in perspectief te plaatsen, de nieuwste smartphones hebben miljarden van deze kleine transistors in slechts één ervan.

Nog, teams van wetenschappers bij IBM Research fabriceren deze transistors niet voor de smartphones van vandaag. Liever, ze hebben een goed oog voor de toekomst - druk aan het experimenteren met prototypes van computerchips en apparaten van de volgende generatie. Tegenwoordig is hun onderzoek gericht op het verleggen van de grenzen van siliciumtechnologie en de wet van Moore, inclusief de ontwikkeling van logische en geheugenapparaten van de volgende generatie voor het schalen van conventionele computerapparaten naar het 7nm-knooppunt en verder, evenals de fabricage van nieuwe cognitieve en kwantumoplossingen die de toekomst van computersystemen zullen zijn.

In feite, meest recent, het 5-qubit-apparaat dat deel uitmaakt van de IBM Quantum Experience is gefabriceerd in de IBM Research MRL. Het creëren van nieuwe technologieën zoals quantum computing is het doel van IBM's MRL en om nieuwe apparaten te ontwikkelen op basis van deze technologieën, onderzoekers hebben zeer geavanceerde mogelijkheden nodig.

Een voorbeeld van de geavanceerde faciliteiten in de MRL is een halfgeleiderprocestool van Tokyo Electron Limited (TEL), dat een unieke plasma-etsmogelijkheid biedt. Deze tool ontwikkelt de processen die nodig zijn voor het modelleren en evalueren van nieuwe apparaten en architecturen die bestaan ​​uit een breed scala aan complexe materialen, waaronder III-V, koolstofnanobuisjes en nieuwe magnetische materialen voor niet-vluchtige spin-overdracht koppel MRAM-technologie.

De stappen voor het fabriceren van deze nieuwe soorten structuren beginnen met het laden van siliciumwafels in de procestool. Hoewel veel nieuwe apparaten gemaakt van nieuwe materialen zoals koolstofnanobuizen of grafeen, zijn geïntroduceerd, ze zijn allemaal gebouwd op een siliconenbasis. Omstandigheden in cleanrooms vereisen dat wetenschappers overalls of "konijnenpakken" dragen die het grootste deel van hun lichaam bedekken om elk risico op besmetting van de wafels door stof of olie te voorkomen. Robotarmen verplaatsen de wafels van de laadkamer naar de plasmakamer waar ze worden verwerkt met behulp van gecontroleerde gassen en stroom, onder ultrahoog vacuüm omstandigheden. Dit wordt gedaan door blootstelling van de wafel aan de plasmafase. Vóór deze fase worden de wafels alleen in patroon gebracht door lithografie, die permanent wordt na blootstelling in de plasmareactor.

Wat gebeurt er tijdens de plasmafase? Volgens Sebastiaan Engelmann, manager van de Advanced Plasma Processing Group bij IBM Research, "In wezen betekent dit dat de onderzoekers een plasma 'vuur' in de reactor aansteken, die vaak gloeit als een vlam en het oorspronkelijke patroon in de wafel 'brandt'. Echter, het belangrijkste kenmerk van deze nieuwe plasmabron is dat het materiaal verbrandt zonder as achter te laten."

Door de jaren heen, het werk van het team is van microniveau naar nanoniveau gegaan, de trend van miniaturisering volgen. Als resultaat, het etsproces heeft afmetingen op atomaire schaal moeten bereiken, en vandaag ontwikkelt het team nieuwe technieken voor het etsen van atomaire lagen (ALE). "Terwijl we onze technologieën opschalen en evolueren naar geavanceerde structuren en apparaten, het precisieniveau dat men nodig heeft bij het etsen in siliciumsubstraten moet extreem hoog zijn, " zei Erik Joseph, senior manager en onderzoeker op het gebied van geavanceerde materialen en procestechnologie bij IBM. "We moeten materiaal etsen en stoppen met angstrom-precisie."

Om het in perspectief te plaatsen, wanneer een auto remt, stopt deze niet onmiddellijk wanneer het rempedaal wordt ingetrapt. Het duurt een bepaalde afstand voordat de auto volledig tot stilstand komt. De prestatie van een set remmen op een auto is de meting van de afstand die nodig is om te vertragen en te stoppen. "Als het gaat om het etsen van nieuwe apparaten, moeten we op een dubbeltje stoppen en geen materialen meer verbruiken. Dit is ongelooflijk belangrijk voor koolstofnanobuisjes, grafeen en 2D-materialen, aangezien hun eigen dikte in de buurt van twee tot drie angstrom ligt, ' zei Jozef.

ALE biedt de mogelijkheid om één laag atomen tegelijk van een substraat te etsen (verwijderen) zonder de onderliggende lagen te verstoren of te beschadigen of de eigenschappen ervan te veranderen. Er zijn verschillende benaderingen van ALE en het team van IBM Research heeft meerdere methoden onderzocht, samen met TEL en andere partners, om dit vermogen te bereiken voor een verscheidenheid aan verschillende materiaalcombinaties.

In juli, de IBM Research MRL zal hun laatste resultaten presenteren tijdens de 3e Internationale Workshop over Atomic Layer Etching, in Dublin, Ierland, waar ze een dergelijke veelbelovende benadering onderzoeken met behulp van door elektronenbundels gegenereerde plasma's. Het werk benadrukt het vermogen om ultrahoge precisieverwerking van atomair dunne materialen zoals koolstofnanobuisjes en/of grafeen mogelijk te maken.