Digital Etching of Single-Crystalline Silicon Fin Barriers Down to Sub-10 nm
यह शोध पत्र एक ऐसी निर्माण प्रक्रिया प्रस्तुत करता है जो उच्च-आस्पेक्ट-अनुपात (high-aspect-ratio), सब-10 nm-मोट thick, सिंगल-क्रिस्टलाइन सिलिकॉन फिन्स (fins) उत्पन्न करने के लिए एनिसोट्रोपिक वेट एचिंग (anisotropic wet etching) को बार-बार रैपिड थर्मल एनीलिंग ऑक्सीकरण और वेपर-फेज हाइड्रोफ्लोरिक एसिड एचिंग की डिजिटल एचिंग तकनीक के साथ जोड़ती है, जिससे सिंगल-क्रिस्टल Si डाइइलेक्ट्रिक बैरियर्स वाले सुपरकंडक्टिंग क्वबिट्स बनाने के लिए एक स्केलेबल मार्ग स्थापित होता है।
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क्वांटम कंप्यूटर बनाने की खोज में, वैज्ञानिक ऐसे सूक्ष्म, नाजुक सर्किट बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो सूचना को सुपरपोजिशन की स्थिति में रख सकें, यानी एक ही समय में कई अवस्थाओं में मौजूद रह सकें। इन सर्किटों के लिए सबसे आशाजनक डिजाइनों में से एक 'ट्रांसमोन क्यूबिट' है, जो एक उपकरण है जो जोसेफसन जंक्शन नामक एक विशेष घटक पर निर्भर करता है। यह जंक्शन विद्युत धारा के लिए एक द्वारपाल (गेटकीपर) के रूप में कार्य करता है, लेकिन यह अपने परिवेश के प्रति अत्यंत संवेदनशील होता है। यदि जंक्शन के भीतर की सामग्रियां परमाणु स्तर पर अव्यवस्थित या बिखरी हुई हैं, तो वे सूक्ष्म दोष पैदा करती हैं जो क्यूबिट से ऊर्जा चुरा लेते हैं, जिससे कोई भी गणना पूरी होने से पहले ही उसकी जानकारी नष्ट हो जाती है। वर्षों से, शोधकर्ता इन बाधाओं को बनाने के लिए अमोर्फस (अनाकार) सामग्रियों का उपयोग करते आए हैं, जो जमी हुई तरल पदार्थ की तरह होती हैं जहाँ परमाणु यादृच्छिक रूप से व्यवस्थित होते हैं। हालांकि, ये यादृच्छिक संरचनाएं उन्हीं दोषों से भरी होती हैं जो क्वांटम प्रदर्शन को खत्म कर देते हैं। आदर्श समाधान एक पूर्ण क्रिस्टल (परफेक्ट क्रिस्टल) का उपयोग करना होगा, जहाँ प्रत्येक परमाणु एक सटीक, व्यवस्थित पंक्ति में बैठा हो, लेकिन एक जटिल इलेक्ट्रॉनिक उपकरण के भीतर एक पतला, पूर्ण क्रिस्टल अवरोध बनाना एक विशाल इंजीनियरिंग चुनौती साबित हुआ है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब सिलिकॉन के एक एकल टुकड़े से इन पूर्ण क्रिस्टल बाधाओं को तराशने की एक नई विधि विकसित की है, जिससे उन्हें उस पैमाने तक पतला किया जा सका है जो पहले पहुंच से बाहर था। उन्होंने एक मानक सिलिकॉन वेफर से शुरुआत की, जो लगभग सभी आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग की जाने वाली सामग्री है, और इसे एक ऊँची, संकरी दीवार, जिसे 'फिन' (fin) कहा जाता है, के रूप में आकार देने के लिए रासायनिक स्नान और ताप उपचार के संयोजन का उपयोग किया। लक्ष्य इस दीवार को इतना पतला बनाना था कि वह जोसेफसन जंक्शन के लिए अवरोध के रूप में कार्य कर सके, जिससे इलेक्ट्रॉनों को एक नियंत्रित तरीके से टनल (tunnel) करने की अनुमति मिल सके। चुनौती यह थी कि सिलिकॉन को आकार देने वाली प्रारंभिक रासायनिक प्रक्रिया ने दीवारों को असमान छोड़ दिया था, जो नीचे से मोटी और ऊपर से पतली होती जा रही थीं, और सिलिकॉन को और अधिक पतला करने की मानक विधियों में या तो इन नाजुक संरचनाओं के टूटने का डर रहता था या वे काम करने के लिए बहुत मोटी रह जाती थीं।
इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने पहले एक 'वेट केमिकल एच' (wet chemical etch) का उपयोग किया, जिसमें सिलिकॉन को पोटेशियम हाइड्रोक्साइड के घोल में डुबोया गया जो एक विशिष्ट दिशा में सामग्री को काटता है, जिससे पीछे चिकनी, कोणीय दीवारें बचती हैं। इसने लगभग चौहत्तर नैनोमीटर मोटा एक फिन बनाया, लेकिन उन्हें क्वांटम अवरोध के रूप में कार्य करने के लिए इसे दस नैनोमीटर से भी कम पतला करने की आवश्यकता थी। इसके बाद उन्होंने 'डिजिटल एचिंग' नामक एक तकनीक का उपयोग किया, जो बहुत धीमी, नियंत्रित छीलने की प्रक्रिया की तरह काम करती है। उन्होंने सिलिकॉन को एक ऐसी गैस के संपर्क में लाया जो परमाणुओं की सबसे ऊपरी परत को ऑक्साइड की एक पतली त्वचा में बदल देती है, और फिर उस त्वचा को धोने के लिए हाइड्रोफ्लोरिक एसिड की वाष्प का उपयोग किया। सतह को ऑक्साइड में बदलने और उसे धोने के इस चक्र को दोहराकर, वे सिलिकॉन की परत को परत दर परत हटा सकते थे। अपने प्रारंभिक परीक्षणों में, वे फिन को लगभग उन्नीस नैनोमीटर तक पतला करने में सफल रहे, लेकिन इस प्रक्रिया में एक खामी थी: फिन के बहुत पतला होने पर उसके ऊपर स्थित सुरक्षात्मक मास्क हट जाता था और गिर जाता था, संभवतः इसलिए क्योंकि तरल एसिड उस गोंद को खा रहा था जो मास्क को थामे हुए था।
इस सीमा को पार करने और दस-नैनोमीटर के लक्ष्य तक पहुँचने के लिए, टीम ने तरल एसिड के स्थान पर वाष्प-आधारित प्रक्रिया का उपयोग किया और सिलिकॉन को गर्म करने के तरीके को बदल दिया। उन्होंने 'रैपिड थर्मल एनीलिंग' का उपयोग किया, जो एक ऐसी विधि है जहाँ सिलिकॉन को भट्टी में बहुत तेज़ी से गर्म किया जाता है, ताकि ऑक्साइड की परत उगाई जा सके। भट्टी में तापमान और गैसों के मिश्रण को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, वे यह निर्धारित कर सके कि प्रत्येक चक्र में कितनी मात्रा में सिलिकॉन हटाया जाएगा। उन्होंने पाया कि सिलिकॉन को बहुत उच्च तापमान तक गर्म करने से सामग्री तेजी से निकलती है, जो फिन के मोटे हिस्सों के लिए उपयोगी थी, जबकि कम तापमान अंतिम, अत्यंत-पतले आयामों के करीब पहुँचते समय सूक्ष्म समायोजन (fine-tuning) के लिए उपयुक्त था। इस दृष्टिकोण ने उन्हें मास्क को नुकसान पहुँचाए बिना सिलिकॉन को हटाने की अनुमति दी, जिससे अंततः छह नैनोमीटर जितने पतले फिन तैयार हुए।
हालाँकि, फिन अभी भी 'टेपरिंग' (tapering) की समस्या से ग्रस्त थे, जहाँ शीर्ष भाग आधार की तुलना में काफी पतला था, जिससे जंक्शन के विद्युत गुण असंगत हो जाते। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि सिलिकॉन को गर्म करने का तरीका शीर्ष भाग को आधार की तुलना में अधिक तेज़ी से ऑक्सीकृत कर रहा था, जिससे मोटाई में अंतर आ रहा था। इसे ठीक करने के लिए, उन्होंने हीटिंग की प्रक्रिया को धीमा कर दिया और भट्टी के भीतर वातावरण को शुद्ध ऑक्सीजन से बदलकर नाइट्रोजन और ऑक्सीजन के मिश्रण में बदल दिया। इस सूक्ष्म परिवर्तन ने शीर्ष भाग को पूरी संरचना के लक्षित तापमान तक पहुँचने से पहले बहुत तेज़ी से प्रतिक्रिया करने से रोक दिया। परिणाम एक उल्लेखनीय सुधार था। एक फिन जो १.२ माइक्रोमीटर लंबा था, उसमें मोटाई का अंतर शीर्ष और आधार के बीच सत्रह नैनोमीटर से घटकर केवल तीन नैनोमीटर रह गया।
अंतिम संरचनाओं की जांच शक्तिशाली इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी (इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप) का उपयोग करके की गई, जिससे पता चला कि टीम ने सफलतापूर्वक एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन की दीवारें बनाई हैं जो शीर्ष पर केवल लगभग छह नैनोमीटर और आधार पर पंद्रह नैनोमीटर मोटी थीं, और जिनका प्रोफाइल उल्लेखनीय रूप से सीधा था। सटीकता का यह स्तर बताता है कि अब पूर्ण, एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन अवरोधों का उपयोग करके जोसेफसन जंक्शन बनाना संभव है, जो पुरानी सामग्रियों में पाए जाने वाले ऊर्जा-चोर दोषों को समाप्त कर सकता है। यह सिद्ध करके कि इन अत्यंत-पतले, समान फिन को मानक सेमीकंडक्टर उपकरणों का उपयोग करके बनाया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने अधिक स्थिर और विश्वसनीय क्वांटम कंप्यूटर बनाने की दिशा में एक स्पष्ट मार्ग खोल दिया है, जिससे पूर्ण क्रिस्टल के सैद्धांतिक लाभ को एक व्यावहारिक वास्तविकता में बदल दिया गया है।
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