Chez IBM T.J. Centre de recherche Watson à Yorktown Heights, NEW YORK., niché entre les bureaux et les salles de réunion, il y en a environ 40, 000 pieds carrés d'espace de salle blanche qui comprend le Microelectronics Research Lab (MRL). Ces salles blanches se composent d'outils hautement sophistiqués gérés par une équipe qualifiée d'ingénieurs et de scientifiques qui passent leurs journées à traiter plaquette de silicium après plaquette de silicium, et les fabriquer en transistors et dispositifs semi-conducteurs, qui sont le cerveau des circuits intégrés. Pour mettre cela en perspective, les derniers smartphones contiennent des milliards de ces minuscules transistors à l'intérieur d'un seul d'entre eux.

Encore, les équipes de scientifiques d'IBM Research ne fabriquent pas ces transistors pour les smartphones d'aujourd'hui. Plutôt, ils ont les yeux rivés sur l'avenir - occupés à expérimenter des prototypes de puces et d'appareils informatiques de nouvelle génération. Aujourd'hui, leurs recherches visent à repousser les limites de la technologie du silicium et de la loi de Moore, y compris le développement de dispositifs logiques et de mémoire de nouvelle génération pour faire évoluer les dispositifs informatiques conventionnels jusqu'au nœud 7 nm et au-delà, ainsi que la fabrication de nouvelles solutions cognitives et quantiques qui seront l'avenir des systèmes informatiques.

En réalité, plus récemment, le périphérique à 5 qubits qui fait partie d'IBM Quantum Experience a été fabriqué directement dans IBM Research MRL. La création de nouvelles technologies comme l'informatique quantique est l'objectif du MRL d'IBM et afin de développer de nouveaux dispositifs basés sur ces technologies, les chercheurs ont besoin de capacités très avancées.

Un exemple des installations avancées du MRL est un outil de traitement des semi-conducteurs de Tokyo Electron Limited (TEL) qui offre une capacité unique de gravure au plasma. Cet outil développe les processus nécessaires pour modéliser et évaluer de nouveaux dispositifs et architectures composés d'une large gamme de matériaux complexes, notamment III-V, nanotubes de carbone et nouveaux matériaux magnétiques pour la technologie MRAM à couple de transfert de spin non volatile.

Les étapes de fabrication de ces nouveaux types de structures commencent par le chargement de plaquettes de silicium dans l'outil de traitement. Même si de nombreux nouveaux appareils fabriqués à partir de nouveaux matériaux comme les nanotubes de carbone ou le graphène, sont présenté, tous sont construits sur une fondation en silicium. Les conditions de salle blanche obligent les scientifiques à porter des combinaisons ou des "costumes de lapin" qui couvrent la majeure partie de leur corps pour éviter tout risque de contamination des plaquettes par la poussière ou l'huile. Des bras robotiques déplacent les plaquettes de la chambre de chargement vers la chambre à plasma où elles sont traitées à l'aide de gaz et de puissance contrôlés, dans des conditions de vide ultra poussé. Cela se fait par exposition de la plaquette à la phase plasma. Avant cette étape les plaquettes ne sont modelées que par lithographie qui deviendra permanente après exposition à l'intérieur du réacteur plasma.

Que se passe-t-il pendant la phase plasmatique ? Selon Sebastian Engelmann, responsable du groupe Advanced Plasma Processing chez IBM Research, "Essentiellement, cela signifie que les chercheurs allument un "feu" de plasma dans le réacteur, qui brille souvent comme une flamme et « brûle » le motif original dans la plaquette. Cependant, la caractéristique clé de cette nouvelle source de plasma est qu'elle brûle la matière sans laisser de cendres. »

Au cours des années, le travail de l'équipe est passé du niveau micro au niveau nano, suivant la tendance à la miniaturisation. Par conséquent, le processus de gravure a dû atteindre des dimensions à l'échelle atomique, et aujourd'hui, l'équipe développe de nouvelles techniques de gravure de couche atomique (ALE). « Alors que nous adaptons nos technologies et que nous nous dirigeons vers des structures et des appareils avancés, le niveau de précision dont on a besoin lors de la gravure dans des substrats de silicium doit être extrêmement élevé, " a déclaré Eric Joseph, cadre supérieur et chercheur en technologie des matériaux avancés et des procédés unitaires chez IBM. "Nous devons graver le matériau et nous arrêter avec une précision de l'angström."

Pour le mettre en perspective, lorsqu'une voiture freine, elle ne s'arrête pas immédiatement lorsque la pédale de frein est enfoncée. Il faut une certaine distance avant que la voiture ne s'arrête complètement. La performance d'un jeu de freins sur une voiture est la mesure de la distance nécessaire pour ralentir et s'arrêter. « Quand il s'agit de graver de nouveaux appareils, nous devons nous arrêter sur un centime et ne plus consommer de matériaux. C'est extrêmement important pour les nanotubes de carbone, le graphène et les matériaux 2D, comme leur propre épaisseur est de l'ordre de deux à trois angströms, " dit Joseph.

L'ALE offre la possibilité de graver (supprimer) une couche d'atomes à la fois d'un substrat sans perturber ou endommager les couches sous-jacentes ou modifier ses propriétés. Il existe différentes approches de l'ALE et l'équipe d'IBM Research a exploré plusieurs méthodes, avec TEL et d'autres partenaires, pour atteindre cette capacité pour une variété de combinaisons de matériaux différentes.

En juillet, l'IBM Research MRL présentera ses derniers résultats au 3e Atelier international sur la gravure sur couche atomique, à Dublin, l'Irlande dans laquelle ils explorent une telle approche prometteuse incorporant des plasmas générés par faisceau d'électrons. Le travail met en évidence la capacité de permettre un traitement ultra-haute précision de matériaux atomiquement minces tels que les nanotubes de carbone et/ou le graphène.