原子级半导体芯片——突破极限
近 60 年来创造的信息时代为世界提供了互联网、智能手机和闪电般的计算机。使这成为可能的是大约每两年可以封装到计算机芯片上的晶体管数量增加一倍，从而产生了数十亿个原子级晶体管，这些晶体管现在可以装在指甲大小的芯片上。这种“原子尺度”的长度是如此之小，以至于可以看到并计算其中的单个原子。
随着这一倍增现在迅速接近物理极限，美国能源部 (DOE) 的普林斯顿等离子体物理实验室 (PPPL) 已加入行业努力，以扩展这一过程并开发新的方法来生产更强大、更高效和更具成本效益的产品筹码。根据与全球芯片制造设备供应商 Lam Research Corp. 签订的合作研发协议 (CRADA)，实验室科学家现在通过建模准确预测了原子级芯片制造的关键步骤。 .
“这将是整个过程中的一小部分，”低温等离子体表面相互作用实验室副主任大卫格雷夫斯教授说，他是一篇概述真空科学与技术杂志上发现的论文的合著者。 B .他说，通过建模获得的洞察力“可以带来各种各样的好处，这就是为什么实验室的这项工作取得了一些希望。”
虽然收缩不能持续太久，但“它还没有完全结束，”他说。 “迄今为止，工业界已经成功地主要使用经验方法来开发创新的新工艺，但更深入的基本理解将加速这一过程。基础研究需要时间，并且需要行业并不总是具备的专业知识，”他说。 “这为实验室承担这项工作创造了强大的动力。”
PPPL 科学家模拟了所谓的“原子层蚀刻”（ALE），这是一个越来越关键的制造步骤，旨在一次从表面去除单个原子层。该工艺可用于将复杂的三维结构蚀刻成硅片上的薄膜，其临界尺寸比人的头发细数千倍。
PPPL 的博士后研究员、该期刊论文的主要作者 Joseph Vella 说：“模拟与作为第一步的实验基本一致，并且可以提高对使用 ALE 进行原子级蚀刻的理解。”他说，改进的理解将使 PPPL 能够调查诸如表面损伤程度和 ALE 过程中产生的粗糙度等问题，“这一切都始于建立我们对原子层蚀刻的基本理解。”
该模型模拟了氯气和氩等离子体离子的顺序使用，以在原子尺度上控制硅蚀刻过程。等离子体（电离气体）是由自由电子、带正电离子和中性分子组成的混合物。与聚变实验中使用的超高温等离子体相比，半导体器件加工中使用的等离子体接近室温。
“来自 Lam Research 的一个令人惊讶的经验发现是，当离子能量比我们开始使用的离子能量高很多时，ALE 过程变得特别有效，”格雷夫斯说。 “所以这将是我们模拟的下一步——看看我们是否能够理解当离子能量更高时会发生什么，以及为什么它这么好。”
展望未来，“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，而且这种扩展还必须以原子级精度进行处理，”他说。 “美国的目标是引领世界利用科学解决重要的工业问题，”他说，“我们的工作就是其中的一部分。”
传感器