Les chercheurs du NIST ont lancé un processus qui simplifie considérablement la fabrication du type de caractéristiques de micropuce à l'échelle nanométrique qui pourraient bientôt former la base d'un ordinateur quantique, entre autres applications.

Au lieu des bits informatiques conventionnels 1 ou 0 stockés sous forme de charges électriques, les informations quantiques sont stockées et manipulées sous forme de bits quantiques (qubits), qui peut avoir plusieurs valeurs simultanément. Un candidat qubit très prometteur est un atome unique d'éléments tels que le phosphore (P) enfoui dans du silicium-28 ultra-pur.

Ces atomes peuvent être placés avec précision à l'aide d'un microscope à effet tunnel (STM), un instrument de laboratoire de pointe largement disponible pour les scientifiques qui n'ont peut-être pas accès à d'autres outils de nanofabrication complexes.

L'utilisation d'un STM pour la fabrication de qubits nécessite d'établir des connexions électriques avec les qubits P et des dépôts de type fil inférieurs à 1/100e de la largeur d'un cheveu humain. Jusqu'à maintenant, qui n'a généralement été possible qu'en utilisant disparates, instruments compliqués et coûteux, dont le coût peut facilement dépasser 10 millions de dollars, et en utilisant onéreux, procédures d'alignement ponctuelles pour coordonner les différentes étapes et localiser les qubits.

"Nous prenons ce qui est maintenant un processus complexe et quelque peu ésotérique et le simplifions afin qu'il soit considérablement plus facile et plus efficace à accomplir, " a déclaré Josh Pomeroy, chercheur au NIST, qui avec des collègues rapportent leur travail dans Nature Scientific Reports . « Il améliore l'accessibilité et la fabricabilité à long terme grâce à la normalisation et il est mieux aligné avec les processus industriels établis. »

Les composants critiques qui forment les qubits sont des atomes P – qui agissent comme un métal dans le silicium – dont les positions sont déterminées par le STM avant d'être scellées avec un revêtement protecteur de silicium cristallin. Dans la méthode conventionnelle, les chercheurs établissent généralement des contacts électriques avec les dépôts enfouis une fois la puce scellée, en utilisant une méthode appelée lithographie par faisceau d'électrons (un processus difficile et coûteux) pour découper des canaux dans la couche externe et définir des fils métalliques. Mais ils doivent d'abord localiser précisément les gisements enfouis, un processus laborieux et lent.

"Le problème est que maintenant vous avez, quelque part sur cette puce, une caractéristique à l'échelle d'un micromètre [un millionième de mètre] sur le 40 de la puce, 000, Superficie de 000 micromètres carrés [4 mm x 10 mm], " dit Pomeroy. " Et, il s'agit essentiellement de silicium. C'est comme essayer de trouver une aiguille spécifique dans une énorme botte de foin d'aiguilles. D'abord, il faut localiser le gisement par balayage 'force brute', puis enregistrez sa position en référence à une autre caractéristique de la puce, et, finalement, dessinez un motif personnalisé qui relie les dépôts."

La méthode pionnière du NIST crée des motifs de fil de P sur des plaquettes de silicium entières au début, en utilisant une méthode "implantaire" standard de l'industrie pour placer les fils d'interconnexion bien avant toute modélisation STM. Chaque plaquette est ensuite découpée en centaines de puces utilisées pour le travail STM, améliorant considérablement l'efficacité. Avec les gisements de P à grande échelle déjà en place, la puce est chargée dans le STM, préparé, et sa surface est recouverte d'une couche uniforme d'atomes d'hydrogène. Les marques de guidage faites lors de l'étape d'implantation conduisent le STM au bon endroit sur la puce.

"Lorsque nous apportons pour la première fois la pointe STM à l'échantillon, " Pomeroy a dit, « on est tout de suite dans le bon code postal. Et puis en utilisant les capacités d'imagerie de la STM, on peut directement « voir » l'implanté, régions électriquement actives. Donc, lorsque vous dessinez le motif, vous savez exactement où se trouvent les fils et vous vous y connectez directement."

La pointe STM trace des chemins entre le P implanté et d'autres caractéristiques en supprimant les atomes d'hydrogène pour créer un modèle lithographique. Avec le modèle établi, la surface est exposée à la phosphine, un composé phosphore-hydrogène, et chauffé de sorte que seul P reste dans le motif, formant des points quantiques et des nanofils dont la taille peut aller de 100 nm à la taille d'un seul atome. Pour conserver et mesurer l'appareil, une couche de Si cristallin est déposée sur l'ensemble du système. Parce que la STM a déjà connecté les nano-fonctions aux plus gros fils implantés, aucune information supplémentaire n'est nécessaire pour terminer le contact électrique, ce qui se fait par une simple étape qui ajoute du métal à des emplacements prédéfinis.

Pour développer la nouvelle méthode, Les scientifiques et collaborateurs du NIST à l'Université du Maryland, College Park a dû résoudre un problème de deux besoins concurrents. Plusieurs fils devaient être rapprochés pour être atteints avec la STM, mais pas connecté électriquement. Pour découvrir un équilibre, ils avaient besoin de comprendre et de modéliser l'effet du chauffage sur les dépôts implantés lors de la fabrication des puces. Typiquement, Les substrats Si sont préparés pour le STM par chauffage "flash" au-dessus de 1200 °C pendant environ une minute, ce qui peut provoquer une diffusion importante de l'implant. La diffusion peut provoquer la fusion de fils très rapprochés les uns des autres.

« Quand nous avons proposé le concept pour la première fois, " Pomeroy a dit, "Beaucoup de gens avaient toutes sortes d'idées sur les raisons pour lesquelles cela ne fonctionnerait pas - avec lesquelles nous étions tous d'accord. Mais nous l'avons quand même essayé, et trouvé un moyen de réussir. Avant, il fallait beaucoup d'équipements très sophistiqués et une technique ardue pour fabriquer des puces de ce type. Maintenant, un professeur avec un système STM et un couple d'étudiants diplômés peuvent entrer dans le jeu. Cela devrait accélérer le rythme des découvertes dans ce domaine très prometteur."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.