Ученые занимаются адаптацией технологий, используемых в области термоядерной энергетики, чтобы создать сверхтонкие плазменные лучи для нового класса «нанолитографии» – техпроцесса производства будущих электронных чипов. Нынешние процессы используют ультрафиолетовый свет в ходе фотолитографии – переноса рисунка маски на светочувствительный материал, который затем подвергается воздействию химического травления. Новая разработка понадобится для продолжения совершенствования компьютерных технологий в целом и планомерного следования Закону Мура (согласно которому количество транзисторов в интегральных микросхемах удваивается каждые 1,5 года) в частности.

Мы не можем продвигаться в уменьшении чипов такими же темпами с применением традиционной фотолитографии, а значит обязаны отыскать способ создать лучи с меньшей длиной волны", – объясняет суть проблемы профессор ядерной инженерии и глава Школы ядерных технологий при Университете Пердью (Purdue's School of Nuclear Engineering) Ахмед Хассанейн (Ahmed Hassanein).

Разрабатываемая технология литографии на основе плазмы генерирует «экстремальный ультрафиолет» с длиной волны 13,5 нм –менее одной десятой длины волны излучения в сегодняшнем техпроцессе.

Инженеры и ученые из Пердью и Аргоннской национальной лаборатории (Argonne National Laboratory) Министерства энергетики США пытаются повысить эффективность двух методик получения плазмы: лазерной и на основе электрического тока.

В любом случае, всего около 2% затрачиваемой энергии уходит собственно на плазму, – говорит Хассанейн. – Такой КПД означает необходимость в 100-кВт источнике питания, представляющем кучу инженерных проблем. Нам стоит оптимизировать преобразование энергии и снизить ее расход, что положительно скажется на литографии следующего поколения".

Детально исследования по данному направлению будут описаны в статье, опубликование которой планируется в октябре-декабре 2009 года в «Журнале микро/нанолитографии, MEMS и MOEMS» (Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS).

Исследование остро нуждается в системе компьютерного моделирования, называемой HEIGHTS (high-energy interaction with general heterogeneous target systems – высокоэнергетическое взаимодействие с широко распространенными гетерогенными целевыми системами), трудится над которой команда Хассанейна. Её программное обеспечение комбинирует вычисления в области физики плазмы, переноса излучения, атомной физики, взаимодействия на границе плазма-материал и магнитогидродинамики. Расчеты для одной симуляции с помощью суперкомпьютера Аргоннской лаборатории могут занять несколько месяцев до полного завершения.

Лазерный метод предполагает путем нагрева ксенона, олова или лития создание плазмы, которая излучает в том числе фотоны ультрафиолета, и является ионизированным газообразным веществом, обладающим электропроводностью. Последнее свойство дает возможность контролировать и управлять плазмой посредством магнитного поля, придавая ей различные формы. В экспериментальных термоядерных реакторах магнитные поля удерживают плазменное «топливо» от касания металлических стен конструкции, что предотвращает ее разрушение при нагреве газообразного вещества до экстремальных температур, при которых протекает реакция слияния ядер. Технология HEIGHTS моделирует полный процесс эволюции плазмы: лазер стреляет в мишень, которая испаряется, ионизируется и переходит в высокоэнергетическое состояние. Симуляция также дает представление о том, что происходит в результате сжатия облака ионизированного газа в очень маленький объем, требуемый для генерирования фотонов.

Описанные в статье результаты свидетельствуют о соответствии данных моделирования и лабораторных экспериментов.

Было очень захватывающе увидеть совпадение, которое подтверждает правильность избранного нами пути. Компьютерные симуляции подсказали, как оптимизировать всю систему и куда двигаться далее", – воодушевлен Хассанейн.

Одним из препятствий являются оптические линзы, поглощающие некоторое количество фотонов, следовательно от них лучше отказаться. В конструкции использующей фотолитографию системы в текущей конфигурации применяются зеркала. Однако плазма конденсируется на их поверхности, снижая отражательные характеристики и ограничивая эффективность всего процесса.

Мы пытаемся найти инновационные пути получения фотонов, увеличения энергоэффективности и уменьшения оказываемых плазмой на зеркала эффектов. Другими словами, улучшаем систему по всем направлениям", – говорит Хассанейн.