在近60年的時間裡，信息時代給了世界互聯網、智能手機和快如閃電的計算機。這是因為每兩年可裝入計算機芯片的晶體管數量增加了一倍左右，從而產生了數十億個原子尺度的晶體管，其可以裝入一個指甲大小的設備。甚至個別原子也可以在這種“原子長度”的長度內被觀察和計數。

物理極限

隨著這種翻倍達到其物理極限，美國能源部(DOE)的普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)已經加入了工業界的努力以延長這一過程並尋找新的技術來製造更強大、更高效和更經濟的芯片。在跟全球芯片製造設備生產商Lam Research Corp.簽訂的合作研究與開發協議下進行的第一項PPPL研究中，實驗室科學家通過使用建模正確預測了原子級芯片生產中的一個基本階段。

“這將是整個過程中的一個小環節，”負責低溫等離子體表面相互作用的實驗室副主任、普林斯頓大學化學和生物工程系教授David Graves說道，“通過建模獲得的見解可以導致各種好事，這就是為什麼實驗室的這項工作有一些希望。”據悉，Graves是《Journal of Vacuum Science & Technology B》上一篇概述該研究結果的論文的共同作者。

Graves表示：“迄今為止，工業界已經成功地使用經驗方法來開發創新的新工藝，但更深入的基本了解將加速這一進程。基礎研究需要時間，另外並不需要工業界總是擁有的專業知識。這為實驗室承擔這項工作創造了強大的動力。”

PPPL的科學家們則對“原子層蝕刻(ALE)”進行了建模。這是一個越來越關鍵的製造步驟，旨在一次從一個表面去除單個原子層。這一過程可用於在矽片上的薄膜上蝕刻複雜的三維結構，其關鍵尺寸比人的頭髮還要細幾千倍。

基本一致

PPPL的博士後、該期刊論文的第一作者Joseph Vella表示：“作為第一步，模擬結果基本上跟實驗一致並可能導致對使用ALE進行原子尺度蝕刻的理解的改進。而這一切都始於建立我們對原子層蝕刻的基本理解。”他指出，理解的提高將使PPPL能調查諸如表面損傷的程度和ALE期間形成的粗糙度。

據了解，該模型模擬了依次使用氯氣和氬氣等離子體離子來控制原子尺度上的矽蝕刻過程。等離子體或電離氣體是一種由自由電子、帶正電的離子和中性分子組成的混合物。用於半導體設備加工的等離子體接近室溫，這跟核聚變實驗中使用的超高溫等離子體相反。

Graves表示：“Lam Research的一個令人驚訝的經驗性發現是，當離子能量比我們開始時的能量高得多時，ALE過程會變得特別有效。因此，這將是我們下一步的模擬工作–看看我們是否能理解當離子能量高得多時發生了什麼及為什麼它這麼好。”

展望未來，Graves指出–“整個半導體行業正在考慮在材料和要使用的設備類型方面進行重大擴展，而這種擴展也必須以原子級的精度進行處理。美國的目標是在利用科學解決重要的工業問題方面引領世界，而我們的工作是其中的一部分。”