På IBM T.J. Watson Research Center i Yorktown Heights, N.Y., instoppad mellan kontorsbord och mötesrum, det finns cirka 40, 000 kvadratfot renrumsutrymme som omfattar Microelectronics Research Lab (MRL). Dessa renrum består av mycket sofistikerade verktyg som drivs av ett skickligt team av ingenjörer och vetenskapsmän som tillbringar sina dagar med att bearbeta kiselwafer efter kiselwafer, och tillverka dem till transistorer och halvledarenheter, som är hjärnan i integrerade kretsar. För att sätta detta i perspektiv, de senaste smarttelefonerna har miljarder av dessa små transistorer inuti bara en av dem.

Än, team av forskare vid IBM Research tillverkar inte dessa transistorer för dagens smartphones. Snarare, de har ett bra öga på framtiden – upptagna med att experimentera med prototyper av nästa generations datorchips och enheter. Idag är deras forskning fokuserad på att tänja på gränserna för kiselteknologi och Moores lag, inklusive utvecklingen av nästa generations logik- och minnesenheter för att skala konventionella datorenheter till 7nm-noden och längre fram, såväl som tillverkning av nya kognitiva och kvantlösningar som kommer att bli framtiden för datorsystem.

Faktiskt, senast, 5-qubit-enheten som är en del av IBM Quantum Experience tillverkades direkt i IBM Research MRL. Att skapa ny teknik som kvantberäkning är målet med IBM:s MRL och för att utveckla nya enheter baserade på dessa teknologier, forskare behöver mycket avancerad kapacitet.

Ett exempel på de avancerade anläggningarna i MRL är ett halvledarprocessverktyg från Tokyo Electron Limited (TEL) som ger unik plasmaetsningskapacitet. Detta verktyg utvecklar de processer som behövs för att mönstra och utvärdera nya enheter och arkitekturer som består av ett brett utbud av komplexa material inklusive III-V, kolnanorör och nya magnetiska material för icke-flyktig spin-transfer vridmoment MRAM-teknik.

Stegen för att tillverka dessa nya typer av strukturer börjar med att ladda kiselwafers i processverktyget. Även om många nya enheter tillverkade av nya material som kolnanorör eller grafen, introduceras, alla är byggda på en silikonfundament. Renrumsförhållanden kräver att forskare bär overaller eller "kaninkostymer" som täcker större delen av kroppen för att förhindra risk för kontaminering av wafers från damm eller olja. Robotarmar flyttar skivorna från laddningskammaren till plasmakammaren där de bearbetas med kontrollerade gaser och kraft, under ultrahögt vakuum. Detta görs genom exponering av wafern för plasmafasen. Före detta skede mönstras skivorna endast med litografi som kommer att bli permanenta efter exponering inuti plasmareaktorn.

Vad händer under plasmafasen? Enligt Sebastian Engelmann, chef för Advanced Plasma Processing Group på IBM Research, "I huvudsak betyder detta att forskarna tänder en plasma"eld" i reaktorn, som ofta lyser som en låga och "bränner" in originalmönstret i rånet. Dock, nyckelfunktionen hos denna nya plasmakälla är att den bränner av material utan att lämna någon aska."

Över åren, teamets arbete har gått från mikronivå till nanonivå, följer trenden med miniatyrisering. Som ett resultat, etsningsprocessen har varit tvungen att nå dimensioner i atomskala, och idag utvecklar teamet nya tekniker för etsning av atomlager (ALE). "När vi skalar vår teknik och går mot avancerade strukturer och enheter, precisionsnivån man behöver vid etsning i silikonsubstrat måste vara extremt hög, sa Eric Joseph, senior chef och forskare för avancerad material och processteknologi på IBM. "Vi måste etsa material och sluta med precision på ångströmsnivå."

För att sätta det i perspektiv, när en bil bromsar stannar den inte direkt när bromspedalen trycks ned. Det tar en viss sträcka innan bilen stannar helt. Prestandan för en uppsättning bromsar på en bil är mätningen av sträckan det tar att sakta ner och stanna. "När det gäller att etsa nya enheter måste vi sluta för en krona och inte konsumera mer material. Detta är otroligt viktigt för kolnanorör, grafen och 2D-material, eftersom deras egen tjocklek är i området två till tre ångström, " sa Joseph.

ALE erbjuder möjligheten att etsa (ta bort) ett lager av atomer åt gången från ett substrat utan att störa eller skada de underliggande lagren eller ändra dess egenskaper. Det finns olika metoder för ALE och teamet på IBM Research har utforskat flera metoder, tillsammans med TEL och andra partners, för att uppnå denna förmåga för en mängd olika materialkombinationer.

I juli, IBM Research MRL kommer att presentera sina senaste resultat vid den tredje internationella workshopen om Atomic Layer Etching, i Dublin, Irland där de utforskar ett sådant lovande tillvägagångssätt som inkluderar elektronstrålegenererade plasma. Arbetet lyfter fram förmågan att möjliggöra ultrahög precisionsbearbetning av atomärt tunna material som kolnanorör och/eller grafen.