Исследователи адаптируют те же методы, которые используются в исследованиях термоядерной энергии, для создания чрезвычайно тонких плазменных пучков для нового класса «нанолитографии», необходимого для создания будущих компьютерных чипов.
Современная технология использует ультрафиолетовый свет для создания мелких деталей в компьютерных чипах в процессе, называемом фотолитографией, который включает проецирование изображения маски на светочувствительный материал, а затем химическое травление полученного рисунка.
Новая нанолитография будет необходима для дальнейшего развития компьютерных технологий и расширения закона Мура, неофициального правила, утверждающего, что количество транзисторов в интегральных схемах или чипах удваивается примерно каждые 18 месяцев.
«Мы не можем сделать устройства намного меньше, используя обычную литографию, поэтому мы должны найти способы создания лучей с более узкими длинами волн», - сказал Ахмед Хассанейн, профессор ядерной инженерии Пола Л. Уоттлета и глава Purdue. Школа ядерной инженерии.
Новая литография на основе плазмы, находящаяся в стадии разработки, генерирует «экстремальный ультрафиолетовый» свет с длиной волны 13,5 нанометров, что составляет менее одной десятой размера современной литографии, сказал Хассанейн.
Инженеры-ядерщики и ученые из Purdue и Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США работают над повышением эффективности двух методов производства плазмы: в одном подходе используется лазер, а в другом методе «создания разряда» используется электрический ток.
«В любом случае, только от 1 до 2 процентов затрачиваемой энергии преобразуется в плазму», - сказал Хассанейн. «Эта эффективность преобразования означает, что вам потребуется более 100 киловатт энергии для этой литографии, что создает всевозможные инженерные проблемы. Мы занимаемся оптимизацией эффективности преобразования - снижением энергопотребления - и решением различных проблем проектирования литографии следующего поколения».
Выводы подробно изложены в исследовательской статье, которая должна быть опубликована в октябре-декабре 2009 года в выпуске Journal of Micro/Nanolithography, MEMS и MOEMS. Статья написана Хассанейном, старшим научным сотрудником Валерием Сизюком, компьютерным аналитиком Татьяной Сизюк и доцентом Сивананданом Харилалом, все из Школы ядерной инженерии.
Важнейшее значение для исследования имеет компьютерное моделирование под названием HEIGHTS для высокоэнергетического взаимодействия с общими гетерогенными целевыми системами, разработанное командой Хассанейна. Вычисления для одной симуляции HEIGHTS с использованием суперкомпьютеров Argonne могут занять несколько месяцев, сказал Хассанейн, бывший старший научный сотрудник Argonne, руководивший работой по разработке HEIGHTS.
Лазерный метод создает плазму путем нагревания ксенона, олова или лития. Плазма производит световые пакеты высокой энергии, называемые фотонами, крайне ультрафиолетового света.
Плазма - это частично ионизированный газообразный материал, проводящий электричество. Благодаря этой электропроводности исследователи могут использовать магнитные поля для формирования плазмы и управления ею, формирования пучков, нитей и других структур. В экспериментальных термоядерных реакторах магнитные поля используются для предотвращения соприкосновения ядерного топлива на основе плазмы с металлическими стенками защитной оболочки, что позволяет нагревать плазму до экстремальных температур, необходимых для поддержания термоядерных реакций.
HEIGHTS моделирует весь процесс эволюции плазмы: лазер взаимодействует с мишенью, а мишень испаряется, ионизируется и превращается в плазму. Моделирование также показывает, что происходит, когда магнитные силы «зажимают» плазменное облако в пятно меньшего диаметра, необходимое для генерации фотонов.
Выводы в документе подробно описывают лазерные плазменные лучи, показывая, что моделирование соответствует данным лабораторных экспериментов, недавно построенных в Пердью, сказал Хассанейн.
"Было очень интересно увидеть этот матч, потому что это означает, что мы на правильном пути", - сказал Хассанейн. «Компьютерное моделирование говорит нам, как оптимизировать всю систему и что делать дальше с экспериментами, чтобы убедиться в этом».
Одна из проблем дизайна связана с тем, что линзы поглощают фотоны, из которых состоит свет, а это означает, что их нельзя использовать для фокусировки луча. Вместо них в дизайне используются зеркала. Однако плазма конденсируется на зеркалах, уменьшая их отражательную способность и ограничивая эффективность процесса.
«Мы пытаемся помочь найти инновационные способы производства этих фотонов, оптимизируя производство и смягчая воздействие плазмы на зеркала», - сказал Хассанейн. «Поэтому мы пытаемся улучшить всю систему».
Инструмент моделирования объединяет вычисления в физике плазмы, переносе излучения, атомной физике, взаимодействии плазмы и материала и магнитогидродинамике, или что происходит, когда цель нагревается, плавится и превращается в плазму.
Работа базируется в Центре материалов в экстремальных условиях в Пердью. Ранее поддержку оказывали Intel Corp и Sematech, отраслевой консорциум, созданный для развития компьютерных технологий.