Jednostavno rečeno
Istraživači su vrlo kratkim bljeskom svjetlosti napravili sitne udubine u siliciju, materijalu od kojeg se prave čipovi. Jačina bljeska utjecala je na dubinu i oblik udubina. Ovo je zasad samo laboratorijski ogled: još nije poznato može li se postupak dovoljno ubrzati i koristiti u proizvodnji.
U eksperimentu kojim su istraživali granice precizne izrade, tim naučnika usmjerio je na površinu silicijske pločice impulse ekstremnog ultraljubičastog zračenja. Svaki je ostavio udubinu koju su istraživači mogli izmjeriti i proučiti. Ideja je važna jer ispituje mogućnost da se površina oblikuje direktno svjetlošću, bez oslanjanja isključivo na složene proizvodne maske. Ipak, riječ je tek o početnom dokazu da postupak može funkcionisati, a ne o potvrdi da je spreman za upotrebu u fabrikama čipova.
Zašto istraživači traže drugačiji način?
Precizni uzorci na silicijskim pločicama obično nastaju kroz više koraka, a u postupku se mogu koristiti fotomaske koje odbijaju svjetlost prema unaprijed zadatom uzorku. Izrada tih maski zahtijeva precizan i skup proces: materijal se prekriva osjetljivim slojem, izlaže svjetlosti, hemijski obrađuje, a zatim se uklanjaju njegovi dijelovi. Kako se elektronske komponente smanjuju, preciznost same maske sve više utiče na konačni rezultat.
Direktno lasersko pisanje podrazumijeva usmjeravanje svjetlosti na odabrane tačke kako bi se materijal uklonio bez posredne maske. Međutim, laseri s vidljivom svjetlošću ili bliskim infracrvenim zračenjem imaju ograničenja u tome koliko se mala tačka može fokusirati. Prenos energije na materijal može izazvati i neželjene toplotne posljedice, poput naprezanja ili sitnih pukotina.
Ekstremno ultraljubičasto zračenje omogućava istraživanje manjih svjetlosnih tačaka i preciznijeg uklanjanja materijala. Ipak, sama činjenica da je impuls kratak ne dokazuje da je toplotno oštećenje izbjegnuto. Istraživači su očekivali da bi izuzetno kratki bljeskovi mogli smanjiti takav uticaj, ali ga ova studija nije direktno mjerila.
Veliki istraživački centar i bljesak kraći od trilionitog dijela sekunde
Eksperiment je izveden u japanskom istraživačkom centru SACLA, pomoću lasera sa slobodnim elektronima koji je emitovao impulse u trajanju od oko 30 femtosekundi. Femtosekunda je nezamislivo kratak dio sekunde, pa je i prenos energije na površinu uzorka trajao veoma kratko. Fotoni svjetlosti imali su energiju od oko 92 elektron-volta, a zraka je padala pod pravim uglom na silicijsku pločicu debljine 525 mikrometara.
U uslovima eksperimenta, silicij je odbijao gotovo nimalo upotrijebljene svjetlosti, dok je dubina njenog prodiranja iznosila oko 0,59 mikrometara. Dvostepeni optički sistem fokusirao je zraku na površinu dimenzija približno 350 sa 700 nanometara. U njemu su se nalazila prethodno fokusirajuće ogledalo Kirkpatrick–Baezovog tipa i eliptično ogledalo, a uzorci su bili postavljeni na precizne nosače koji su omogućavali usmjeravanje impulsa na različita mjesta.
Ovi podaci opisuju naprednu eksperimentalnu postavku, a ne mali uređaj za koji se može pretpostaviti da postoji u običnoj fabrici. Rezultati su dobijeni pomoću izvora svjetlosti u velikom istraživačkom centru. Da bi se metoda šire primijenila, bili bi potrebni praktičniji izvori ekstremnog ultraljubičastog zračenja, kao i pouzdan način njihovog efikasnog rada.
Jačina impulsa određuje oblik udubine
Nakon izlaganja uzoraka, istraživači su atomskim mikroskopom sile izmjerili neravnine na njihovoj površini. Taj instrument otkriva veoma sitne razlike u visini. Pri apsorbovanoj dozi od 8 elektron-volta po atomu, odnosno 6,0 džula po kvadratnom centimetru, prosječna dubina udubina iznosila je oko 1,5 mikrometara. Najdublja mjesta u nekim udubinama dosezala su 1,8 mikrometara.
Udubine nisu bile potpuno jednake. Većina je bila nalik širokoj zdjeli koja se sužava prema nižem središtu, dok se na jednom uzorku pojavila jasna ivica od materijala koji je, činilo se, bio uklonjen pa se ponovo nataložio u blizini. Dimenzije udubina nastalih ponovljenim impulsima razlikovale su se za oko 13 do 20 posto. To pokazuje da se rezultat može ponoviti, ali ne i da je svaki put potpuno isti.
Kada je doza smanjena na 5 elektron-volta po atomu, odnosno 3,7 džula po kvadratnom centimetru, prosječna dubina iznosila je približno jedan mikrometar, a širina oko 1,1 mikrometar. Širina je varirala za oko 10 posto, dok su razlike u dubini bile između 18 i 36 posto. To pokazuje da promjena energije ne utiče samo na količinu uklonjenog materijala nego i na ujednačenost udubina.
Pri dozi od 2 elektron-volta po atomu, odnosno 1,5 džula po kvadratnom centimetru, uklanjanje materijala bilo je ograničenije i uglavnom se zadržalo blizu početne dubine prodiranja svjetlosti. Udubine su bile duboke oko 0,6 mikrometara, a neke njihove dimenzije pratile su oblik svjetlosne tačke, čija je širina bila manja od mikrometra. Ipak, dno nije bilo glatko: na njemu su se vidjele neravnine i ostaci silicija koji nisu potpuno uklonjeni. Manja doza je, dakle, omogućila izradu obilježja užeg od mikrometra u jednom pravcu, ali nije dala savršeno glatku površinu.
Korisna simulacija koja nije pogodila sve dimenzije
Istraživači nisu samo mjerili rezultate nego su koristili i višeskalni simulacijski sistem SURFwiX. Program XTANT prikazivao je reakciju elektrona i početne promjene u materijalu tokom prvih femto- i pikosekundi. Zatim su pomoću programa LAMMPS simulirali kretanje atoma kako bi proučili deformaciju silicija, širenje talasa pritiska i izbacivanje materijala tokom dužeg perioda, sve do nanosekunde.
Da bi smanjili računarsko opterećenje, istraživači su umanjili model, ali su zadržali odgovarajuću apsorbovanu dozu primjenom principa sličnosti. Simulacije su uspjele prikazati opšti trend: veća doza povezana je s većim udubinama. Međutim, pri najvećoj dozi izračunate udubine bile su manje od izmjerenih. Model je njihovu dubinu potcijenio približno tri puta, a širinu oko dva puta.
Simulacija je pokazala da bi dio silicija uz rub udubine mogao biti izbačen, a zatim se vratiti i stvrdnuti. To bi moglo objasniti pojavu ivice od ponovo nataloženog materijala. Ipak, razlika između proračuna i mjerenja pokazuje da atomski modeli još ne opisuju sve pojedinosti procesa. Potrebno ih je unaprijediti prije nego što se budu mogli koristiti za precizno predviđanje oblika udubina.
Od mikroskopske udubine do mogućih primjena
Direktno oblikovanje površine ekstremnim ultraljubičastim zračenjem moglo bi postati jedan od načina za izradu uzoraka ili maski za komponente nešto većih dimenzija. Među mogućim oblastima su pojedine primjene u mikrosistemima za senzore i elektromehaničke uređaje, upravljanje motorima, kontrola baterija i medicinski uređaji. To su mogući pravci primjene, a ne proizvodi koje je ovaj eksperiment već omogućio.
Ova metoda bi potencijalno mogla smanjiti potrebu za nekim koracima izrade maski, uključujući hemijsku obradu, nagrizanje plazmom i uklanjanje osjetljivih slojeva. Međutim, studija nije ispitivala potrošnju resursa ni uticaj na okoliš, niti je uporedila cijenu i brzinu postupka s postojećim proizvodnim metodama. Zato ideju o suhom procesu koji troši manje resursa treba smatrati mogućnošću koju tek treba procijeniti, a ne dokazanim rezultatom.
Jedna od praktičnih prepreka jeste to što se eksperiment oslanjao na laser sa slobodnim elektronima, dostupan u specijalizovanom istraživačkom centru. U studiji se navodi da bi stvaranje ekstremnog ultraljubičastog zračenja pomoću viših harmonika moglo biti jedan od puteva do manjih izvora, ali su za industrijsku primjenu potrebni daljnji razvoj i testiranja. I kraći impulsi, u rasponu atosekundi, zasad su samo moguća ideja za smanjenje toplotnog naprezanja, a ne korist koju je ovaj eksperiment izmjerio.
Zaključak
Eksperiment je pokazao da jedan veoma kratak impuls ekstremnog ultraljubičastog zračenja može ukloniti silicij i napraviti udubinu čija dubina i oblik zavise od doze. Pri nižoj energiji udubine su bile duboke oko 0,6 mikrometara, dok je najdublja pri većoj energiji dostigla 1,8 mikrometara. Mjerenja su se pritom znatno razlikovala. Glavna vrijednost rada jeste dokaz da je moguće direktno oblikovati materijal na mikroskopskoj skali, a ne tvrdnja da je razvijena gotova industrijska tehnologija. Potrebno je još unaprijediti simulacije, ispitati brzinu i ponovljivost na većem broju uzoraka, izmjeriti toplotne i ekološke posljedice te razviti odgovarajuće izvore svjetlosti. Dok se ti koraci ne završe, ova svjetlosna metoda ostaje obećavajući laboratorijski alat, a ne dokazana zamjena za postojeću proizvodnju čipova.