革新算力：原子级半导体芯片的崛起
近60年信息时代创造了互联网、智能手机、闪电般的计算机。支撑此进程的是晶体管封装密度约每两年翻倍，如今数十亿原子级晶体管塞进指甲盖大小芯片。这种“原子级”尺寸小到能看见并数清单个原子。
随着翻倍逼近物理极限，美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）加入产业行列，延续工艺并开发新方法生产更强、更高效、更具成本效益的芯片。实验室科学家现通过建模精准预测原子级芯片制造关键步骤，这是PPPL在与全球芯片设备供应商Lam Research公司合作研究开发协议（CRADA）下的首项研究。
“这只是整个流程中一个小环节，”低温等离子体表面相互作用副实验室主任、论文合著者David Graves教授说。通过建模获得的洞见，“能带来各种好事，这就是实验室这项工作充满希望的原因。”
虽然收缩不能持续太久，“但尚未完全终结，”他说。“业界至今主要用经验法开发创新新工艺，但更深层基本理解将加速此过程。基础研究需时间与专业知识，业界不总具备，”他说。“这给实验室承担此工作创造强烈激励。”
PPPL科学家建模所谓“原子层蚀刻”（ALE），这一日益关键的制造步骤旨在一次从表面移除单层原子。此过程可将人类头发数千倍薄的关键尺寸三维复杂结构蚀刻进硅晶圆薄膜。
“模拟基本与实验一致，作为第一步，可带来对ALE用于原子级蚀刻的改进理解，”PPPL博士后Joseph Vella，期刊论文第一作者说。改进理解将使PPPL研究ALE过程中的表面损伤程度、粗糙度发展程度，他说，“一切始于建立对原子层蚀刻的基本理解。”
模型模拟氯气与氩等离子离子序列使用，在原子尺度控制硅蚀刻过程。等离子体——电离气体——是自由电子、正离子、中性分子混合物。半导体器件加工用等离子体接近室温，区别于聚变实验用超高温等离子体。
“Lam Research惊人经验发现：离子能量远高于我们初始值时，ALE过程特别有效，”Graves说。“那将是我们模拟下一步——看能否理解离子能量大幅提高时发生什么、为何如此好。”
展望未来，“半导体行业整体正考虑材料与器件类型大幅扩展，这也必须用原子级精度加工，”他说。“美国目标是领导世界用科学解决重要工业问题，”他说，“我们的工作是其中一部分。”
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