Yeni nesil çip üretiminde atomik hassasiyet engeli aşılıyor

Yapay zeka uygulamalarının büyüyen işlem gücü ihtiyacı ve küresel çip pazarındaki kapasite baskısı, yarı iletken sektörünü geleneksel silikon teknolojisinin ötesinde yeni malzemelere yöneltiyor. Bu alanda öne çıkan seçeneklerden biri, silikon ile geçiş metal dikalkojenitlerinin birlikte kullanıldığı yeni nesil transistör mimarileri olarak görülüyor. Ancak bu malzemelerin üretimi, atomik ölçekte hassasiyet gerektiren zorlu süreçler nedeniyle seri üretim açısından önemli engeller barındırıyor. Princeton Plazma Fiziği Laboratuvarı araştırmacıları, bilgisayar simülasyonlarıyla geliştirdikleri yeni kimyasal yöntemle bu üretim engellerinden birini aşmayı amaçlıyor.

PLAZMA AŞINDIRMADA HASSASİYET SORUNU
TMD tabanlı transistörlerin üretiminde mühendislerin, alt katmanlara zarar vermeden yalnızca en üstteki kükürt katmanından atomları uzaklaştırması gerekiyor. Bu işlem, plazma aşındırma yöntemiyle yapıldığında çok dar bir işlem aralığı içinde yürütülmek zorunda kalıyor. Plazma iyonları yüzeye düşük enerjiyle çarptığında kükürt katmanı yeterince temizlenemiyor. Enerji fazla olduğunda ise alttaki molibden katmanı zarar görüyor ve çipin performansı olumsuz etkileniyor. Bu nedenle üretim sürecinde iyon enerjisindeki küçük dalgalanmalar bile fire oranlarını artırabiliyor. Princeton ekibinin geliştirdiği yöntem, aşındırma öncesinde yüzeyin oksijen veya flor ile kaplanmasına dayanıyor.

ENERJİ EŞİĞİ DÜŞÜRÜLDÜ
Fiziksel Kimya Mektupları Dergisi’nde yayımlanan bulgulara göre, yüzeyin oksijen veya flor ile işlenmesi, kükürt atomlarını yüzeyden ayırmak için gereken enerji seviyesini önemli ölçüde düşürüyor. İşlem görmemiş bir yüzeyde kükürt atomunu koparmak için yaklaşık 30 elektron volt enerji gerekiyor. Flor ön işlemiyle bu eşik 10 elektron volta, oksijen ön işlemiyle ise 14 elektron volta kadar indirilebiliyor. Enerji eşiğinin düşmesi, plazma iyonlarının yüzeye aynı enerjiyle çarpmadığı endüstriyel koşullarda daha geniş ve güvenli bir çalışma aralığı sağlıyor. Böylece alttaki molibden katmanının zarar görme riski azaltılırken, kükürt katmanının daha kontrollü biçimde temizlenmesi mümkün hale geliyor.

FİZİKSEL KUVVET YERİNE KİMYASAL TEPKİME
Yeni yöntemin temel farkı, atomları yüzeyden uzaklaştırmak için yalnızca fiziksel kuvvete bağlı kalmaması. Plazma iyonları oksijenle kaplanmış yüzeye çarptığında, oksijen atomları kükürt ile tepkimeye girerek kükürt dioksit gazı oluşturuyor. Bu gaz yüzeyden doğal olarak uzaklaşabildiği için kükürt atomlarının ayrılması daha kolay hale geliyor. Flor kullanıldığında da benzer şekilde daha kolay temizlenebilen kükürt-flor bileşikleri oluşuyor. Çalışmanın baş yazarı Yury Polyachenko, yöntemin atomlar arasındaki bağları zayıflatan ara kimyasal ürünler oluşturduğunu belirtti. Bu sayede kükürt atomlarının yüzeyden uzaklaştırılması daha düşük enerjiyle ve daha kontrollü bir süreçle gerçekleşebiliyor.

YENİ NESİL MALZEMELERDE TEST EDİLECEK
Araştırma ekibi, kavram kanıtı aşamasını geride bırakan yöntemin endüstriyel ölçeklenebilirliğini ve uzun vadeli güvenilirliğini incelemeyi sürdürüyor. Bir sonraki aşamada, tekniğin farklı yeni nesil yarı iletken malzemelerde de uygulanıp uygulanamayacağı test edilecek. Bu kapsamda, benzer katmanlı yapılarda molibden yerine tungsten, kükürt yerine ise selenyum kullanılan alternatif malzeme senaryoları değerlendirilecek. Yöntemin farklı malzeme sınıflarında da başarılı olması halinde, TMD tabanlı transistörlerin üretim süreçlerinde daha geniş kullanım alanı bulması mümkün olabilir. Bu da yeni nesil yarı iletken mimarilerinin seri üretime taşınmasında önemli bir adım olarak değerlendiriliyor.

SERİ ÜRETİM İÇİN VERİMLİLİK HEDEFİ
Yarı iletken üretiminde verimlilik, yalnızca teknik başarı değil, aynı zamanda maliyet ve kapasite yönetimi açısından da belirleyici bir unsur olarak öne çıkıyor. Atomik ölçekte yapılan küçük hatalar, yüksek hacimli üretim hatlarında büyük fire oranlarına yol açabiliyor. Princeton ekibinin geliştirdiği kimyasal destekli plazma aşındırma yöntemi, üretim sürecindeki hata marjını genişleterek çip üreticilerine daha kontrollü bir işlem penceresi sunmayı hedefliyor. Bu yaklaşım, silikonun ötesine geçmesi beklenen yeni nesil transistörlerin ticarileştirilmesi açısından kritik görülen üretim hassasiyeti sorununa çözüm arayan çalışmalardan biri olarak öne çıkıyor.