Een nieuwe studie onder leiding van Princeton University toont aan dat door het aanbrengen van sporen van zuurstof- of fluorcoatings op het oppervlak van specifieke tweedimensionale materialen, de beheersbaarheid van het plasma-etsproces aanzienlijk kan worden verbeterd, wat naar verwachting de productie van een nieuwe generatie kleinere, snellere en energiezuinigere computerchips zal bevorderen. Deze baanbrekende prestatie biedt een belangrijk procesmiddel voor de introductie van ultradunne nieuwe materialen op basis van traditionele siliciumprocessen.

De huidige commerciële chips hebben miljarden siliciumtransistors per vierkante inch geïntegreerd, maar siliciummaterialen naderen geleidelijk de fysieke grenzen in termen van verkleining en prestatieverbetering. Om de evolutie van de wet van Moore voort te zetten, heeft de wetenschappelijke onderzoeksgemeenschap haar aandacht gericht op een soort ultradun overgangsmetaaldichalcogenide (TMD), in de hoop dat dit in combinatie met silicium kan werken om toekomstige transistorstructuren te bouwen. Van deze kandidaatmaterialen is molybdeendisulfide (MoS2) van bijzonder belang, omdat het slechts drie atoomlagen dik is: een laag molybdeenatomen in het midden en een laag zwavelatomen erboven en eronder.

Om dit type TMD-materiaal effectief in een chipstructuur te integreren, vereist het productieproces vaak "slechts één laag afpellen" - waarbij nauwkeurig de bovenste laag zwavelatomen op het oppervlak wordt verwijderd, terwijl de onderste molybdeenlaag en de onderste zwavellaag intact blijven. De huidige methode die doorgaans in de industrie wordt gebruikt, is een op plasma gebaseerd etsproces, waarbij gebruik wordt gemaakt van hoogenergetische geladen deeltjes, vergelijkbaar met de fysieke toestand van de zon en de sterren, om het oppervlak van het materiaal te bombarderen en atomen één voor één uit te schakelen.

De moeilijkheid is dat er een verdeling van ionenenergie in het plasma is, en dat het procesvenster extreem smal is om de zwavelatomen op het oppervlak te verwijderen zonder de molybdeenatomen er direct onder te beschadigen. Als de energie iets lager is, kunnen de zwavelatomen niet volledig worden verwijderd; als de energie iets hoger is, kan de molybdeenlaag beschadigd raken, waardoor het gehele materiaal zijn waarde als hoogwaardige kanaallaag verliest. Het is dit ‘kleine verschil’-procesbeheersingsprobleem dat de grootschalige toepassing van TMD-materialen in geavanceerde productieprocessen jarenlang heeft beperkt.

Dit werk, uitgevoerd door een onderzoeksteam uit Princeton en andere instellingen, door middel van grootschalige computersimulaties, vond een ogenschijnlijk eenvoudige maar zeer effectieve 'chemische hulp'-oplossing: het oppervlak van molybdeendisulfide functioneel bedekken met zuurstof of fluor vóór plasmabehandeling. Simulatieresultaten laten zien dat deze extra stap het venster van het veiligheidsproces aanzienlijk vergroot, waardoor het gemakkelijker wordt om alleen de bovenste laag zwavelatomen te verwijderen zonder de onderliggende molybdeenlaag te beschadigen.

Uit onderzoek blijkt dat om één zwavelatoom op het oppervlak van onbehandeld molybdeendisulfide te verwijderen, een invallende energie van ongeveer 30 elektronvolt nodig is. Eenmaal vooraf bekleed met fluor, kan deze energiedrempel worden verlaagd tot ongeveer 10 elektronvolt; met zuurstofcoating kan dit worden teruggebracht tot ongeveer 14 elektronvolt. Ter vergelijking: de energieën die overeenkomen met de twee resultaten van "het verwijderen van zwavel" en "het doorboren van de molybdeenlaag" in de oorspronkelijke situatie liggen zeer dicht bij elkaar, waardoor het moeilijk wordt om schade aan het hoofdlichaam van het materiaal tijdens de daadwerkelijke verwerking te voorkomen.

Met zuurstof- of fluorcoatings wordt de energie die nodig is om zwavelatomen los te maken aanzienlijk verminderd, waardoor een grotere afstand tot de ‘schadedrempel’ ontstaat. Onder dit bredere werkingsvenster is er, zelfs als er bepaalde fluctuaties zijn in de ionenenergie in het plasma, nog steeds een grotere waarschijnlijkheid dat alleen de selectieve verwijdering van zwavelatomen op het oppervlak zal worden geactiveerd zonder de molybdeenlaag in de kern van de structuur te beschadigen. Dit verschil is van cruciaal belang bij het nastreven van precisie op atomair niveau bij de productie van halfgeleiders.

Het onderzoeksteam wees erop dat de sleutel tot de nieuwe strategie is om “chemische reacties te laten helpen” in plaats van volledig te vertrouwen op de fysieke impact van plasmadeeltjes. Wanneer snelle ionen het MoS₂-oppervlak raken dat vooraf bedekt is met zuurstof, zullen twee nabijgelegen zuurstofatomen de neiging hebben om zich te combineren met een zwavelatoom om een ​​molecuul zwaveldioxidegas te genereren. Dit molecuul is thermodynamisch zeer stabiel en kan gemakkelijker spontaan loskomen van het oppervlak van het materiaal, wat overeenkomt met 'het wegnemen van zwavel door een chemische reactie'.

Op dezelfde manier zal, als een fluorcoating wordt gebruikt, een tussenverbinding worden gegenereerd die zwavel-fluorbindingen bevat, die ook gemakkelijker te verbreken is dan de oorspronkelijke S-Mo-bindingen, waardoor een zachte en selectieve oppervlakte-etsing wordt bereikt. De eerste auteur van het artikel, Yury Polyachenko, een afgestudeerde student aan de afdeling scheikunde aan de Princeton University en in de zomer van 2025 lid van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), zei dat ze niet direct de sterkste chemische bindingen in het materiaal verbraken, maar eerst ‘betere’ tussenproducten genereerden door middel van functionaliteit, en deze vervolgens met lagere energie verwijderden.

Dit resultaat werd gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry Letters en besprak in detail de impact van verschillende oppervlaktefunctionalisatiemethoden op energiebarrières en schaderisico's. Het huidige simulatiewerk is vooral gericht op het beantwoorden van de vraag "Zal het beschadigd raken?" In de volgende fase is het team van plan de specifieke typen defecten en dichtheden die onder verschillende procesomstandigheden worden geproduceerd verder te kwantificeren, waardoor meer operationele parameterrichtlijnen voor de industrie worden geboden.

De onderzoekers zijn ook van plan dit idee uit te breiden naar een breder scala aan materiaalsystemen, zoals het vervangen van molybdeen door wolfraam, het vervangen van zwavel door selenium, enz., om te zien of deze combinatie van zuurstof/fluor-functionalisatie en plasma-selectief etsen ook toepasbaar is. Als vergelijkbare effecten kunnen worden gereproduceerd in een verscheidenheid aan TMD-materialen, zal dit in de toekomst meer ruimte openen voor de selectie van ultradunne kanaalmaterialen en het ontwerp van stapelstructuren met meerdere materialen.

Het onderzoek werd gefinancierd door het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie en werd uitgevoerd in het kader van het micro-elektronica-onderzoeksproject Extreme Lithography & Materials Innovation Center, uitgevoerd door het Princeton Plasma Physics Laboratory. Relevante grootschalige numerieke simulaties worden voornamelijk voltooid op het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) en de krachtige computerclusters Stellar, Della en Tiger van Princeton University.