Façonnées à partir du même élément trouvé dans le sable et recouvertes de motifs complexes, les puces électroniques alimentent les smartphones, améliorent les appareils électroménagers et facilitent le fonctionnement des voitures et des avions.
Aujourd'hui, des scientifiques du Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du Département américain de l'énergie (DOE) développent des codes de simulation informatique qui surpasseront les techniques de simulation actuelles et faciliteront la production de micropuces à l'aide du plasma, l'état de la matière chargé électriquement également utilisé dans la recherche sur la fusion. .
Ces codes pourraient contribuer à accroître l'efficacité du processus de fabrication et potentiellement stimuler la renaissance de l'industrie des puces aux États-Unis.
"Les appareils dotés de puces électroniques étant essentiels à notre vie quotidienne, la manière et le lieu de fabrication sont une question de sécurité nationale", a déclaré Igor Kaganovich, chercheur principal en physique qui dirige le groupe de modélisation à basse température du PPPL.
"Des outils de simulation robustes et fiables, capables de prédire avec précision le comportement du plasma et de raccourcir le cycle de fabrication et de conception des puces en silicium, pourraient aider les États-Unis à retrouver un rôle de leader dans ce domaine et à le maintenir pendant des décennies."
Un effort de recherche du PPPL consiste à réduire le temps nécessaire aux ordinateurs pour simuler des réacteurs à plasma à micropuces. Cette innovation aiderait l'industrie privée à utiliser largement des simulations plus complexes et plus précises et contribuerait à réduire les coûts des micropuces.
"Les entreprises aimeraient utiliser des simulations pour améliorer leurs processus, mais celles-ci sont généralement coûteuses en termes de calcul", a déclaré Andrew Tasman Powis, co-auteur de l'article rapportant les résultats dans Physics of Plasmas. et associé de recherche informatique chez PPPL. "Nous faisons de notre mieux pour contrer cette tendance."
Les physiciens souhaitent généralement que les simulations reproduisent le plasma aussi précisément que possible, générant des images virtuelles révélant les subtilités du comportement du plasma avec des détails très fins. Ce processus nécessite des algorithmes, des programmes suivant un ensemble de règles, qui simulent le plasma par incréments de temps très courts et dans de petits volumes d'espace.
Le problème est que des simulations aussi détaillées nécessitent des ordinateurs puissants fonctionnant pendant des jours, voire des semaines. Ce délai est trop long et trop coûteux pour les entreprises qui souhaitent utiliser les simulations pour améliorer leurs processus de fabrication de micropuces.
Les chercheurs se sont plongés dans l’histoire de la physique des plasmas pour trouver des algorithmes déjà développés qui pourraient permettre de réduire le temps nécessaire à la simulation du plasma sur micropuce. Les chercheurs ont trouvé des algorithmes appropriés datant des années 1980; lorsqu'ils ont été testés, les algorithmes ont démontré leur capacité à modéliser des systèmes plasma à micropuces en beaucoup moins de temps et avec seulement une légère réduction de la précision.
Essentiellement, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient obtenir de bonnes simulations même s'ils modélisaient des particules de plasma dans des espaces plus grands et en utilisant des incréments de temps plus longs.
"Ce développement est important car il pourrait permettre aux entreprises d'économiser du temps et de l'argent", a déclaré Haomin Sun, chercheur principal de l'étude et ancien étudiant diplômé du programme de physique des plasmas de l'Université de Princeton, basé au PPPL.
"Cela signifie qu'avec la même quantité de ressources informatiques, vous pouvez créer plus de simulations. Plus de simulations vous permettent non seulement de trouver des moyens d'améliorer la fabrication, mais également d'en apprendre davantage sur la physique en général. Nous pouvons faire plus de découvertes en utilisant nos ressources limitées. "
Des recherches connexes menées par Powis renforcent cette possibilité. Dans un article publié dans Physics of Plasmas , Powis confirme que les codes informatiques peuvent générer des modèles précis de particules de plasma tout en utilisant des « cellules » virtuelles ou de petits volumes d'espace qui dépassent une mesure standard en physique des plasmas connue sous le nom de longueur de Debye.
Cette évolution signifie que les codes peuvent en effet utiliser moins de cellules et réduire le temps de calcul nécessaire. "C'est une bonne nouvelle car réduire le nombre de cellules pourrait réduire le coût de calcul de la simulation et donc améliorer les performances", a déclaré Powis.
Les algorithmes peuvent simuler ce que l'on appelle des « réacteurs à plasma à couplage capacitif », qui créent le plasma que les ingénieurs utilisent pour graver des canaux étroits dans une tranche de silicium. Ces minuscules passages forment les microcircuits qui permettent à la puce de fonctionner.
"Nous souhaitons modéliser ce processus afin que nous puissions apprendre à contrôler les propriétés du plasma, prédire à quoi elles ressembleraient dans une nouvelle machine, puis prédire les propriétés de gravure afin que nous puissions améliorer le processus", a déclaré Powis. /P>
L’équipe prévoit de tester davantage les algorithmes en ajoutant les effets de différents types de matériaux de parois et d’électrodes. "Nous voulons continuer à renforcer la confiance dans ces algorithmes afin de pouvoir être sûrs que les résultats sont exacts", a déclaré Powis.
Un autre effort de recherche se concentre sur les erreurs qui peuvent s'infiltrer dans les simulations de plasma en raison des limitations inhérentes aux méthodes de simulation elles-mêmes, qui modélisent un plus petit nombre de particules de plasma que celles présentes dans le plasma réel.
"Lorsque vous simulez un plasma, vous aimeriez idéalement suivre chaque particule et savoir où elle se trouve à tout moment", a déclaré Sierra Jubin, étudiante diplômée du programme de Princeton en physique des plasmas et auteur principal d'un article rapportant les résultats dans Physique des Plasmas . "Mais nous n'avons pas une puissance de calcul infinie, donc nous ne pouvons pas faire ça."
Pour contourner cette difficulté, les chercheurs conçoivent un code pour représenter des millions de particules comme un seul géant. particule. Cela simplifie la tâche de l'ordinateur, mais amplifie également les interactions des mégaparticules virtuelles. En conséquence, un changement dans la proportion de particules se déplaçant à une vitesse par rapport au nombre se déplaçant à une autre (un processus connu sous le nom de thermalisation) se produit plus rapidement que dans la nature. Pour l'essentiel, la simulation ne correspond pas à la réalité.
"C'est un problème car si nous ne résolvons pas ce problème, nous ne modéliserons pas les phénomènes tels qu'ils se produisent réellement dans le monde", a déclaré Jubin. "Et si nous voulons savoir combien d'électrons se déplacent à une vitesse particulière, générant des ions ou des espèces chimiques réactives qui interagissent avec les matériaux utilisés pour fabriquer les micropuces, nous n'obtiendrons pas une image précise."
Pour compenser ces erreurs de calcul, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient rendre les volumes des mégaparticules plus grands et moins denses, atténuant ainsi leurs interactions et ralentissant les changements de vitesse des particules. "En effet, ces résultats imposent des limites à ce qui est possible dans les simulations de plasma sur micropuces, soulignent les contraintes que nous devons prendre en compte et proposent des solutions", a déclaré Jubin.
Les découvertes de Jubin renforcent l'idée selon laquelle les techniques de simulation actuelles doivent être améliorées. Que ce soit parce que les codes utilisés aujourd’hui nécessitent de petits volumes et des incréments de temps qui ralentissent les simulations, ou parce qu’ils produisent des erreurs basées sur les exigences informatiques, les scientifiques ont besoin de nouvelles solutions. "Il s'agit en fait d'un changement de paradigme dans le domaine", a déclaré Kaganovich, "et PPPL ouvre la voie."
L'équipe comprenait des chercheurs de l'Université de Princeton, du Swiss Plasma Center de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne, du Birla Institute of Technology and Science de l'Inde, de l'Institut national Homi Bhabha de l'Inde, de l'Université de l'Alberta à Edmonton, d'Applied Materials, Inc. et de l'Institut chinois Sino. -Institut français d'ingénierie et de technologie nucléaires.
Plus d'informations : Sierra Jubin et al, Thermalisation numérique dans les simulations PIC 2D :estimations pratiques pour les simulations de plasma à basse température, Physique des plasmas (2024). DOI :10.1063/5.0180421
A. T. Powis et al, Précision de la méthode explicite de particules dans la cellule à conservation d'énergie pour les simulations sous-résolues de décharges de plasma à couplage capacitif, Physique des plasmas (2024). DOI :10.1063/5.0174168
Haomin Sun et al, Méthodes directes implicites et explicites de particules dans la cellule à conservation d'énergie pour la modélisation de dispositifs à plasma à couplage capacitif, Physique des plasmas (2023). DOI :10.1063/5.0160853
Informations sur le journal : Physique des plasmas
Fourni par le laboratoire de physique des plasmas de Princeton
