Un nuevo estudio dirigido por la Universidad de Princeton muestra que al introducir trazas de oxígeno o recubrimientos de flúor en la superficie de materiales bidimensionales específicos, se puede mejorar significativamente la controlabilidad del proceso de grabado con plasma, lo que se espera que promueva la fabricación de una nueva generación de chips de computadora más pequeños, más rápidos y con mayor eficiencia energética. Este logro revolucionario proporciona un medio de proceso clave para la introducción de nuevos materiales ultrafinos basados ​​en procesos tradicionales de silicio.

Los chips comerciales actuales han integrado miles de millones de transistores de silicio por pulgada cuadrada, pero los materiales de silicio se están acercando gradualmente a límites físicos en términos de reducción de tamaño y mejora del rendimiento. Para continuar la evolución de la Ley de Moore, la comunidad de investigación científica ha centrado su atención en un tipo de dicalcogenuro de metal de transición (TMD) ultrafino, con la esperanza de que pueda funcionar junto con el silicio para construir futuras estructuras de transistores. Entre estos materiales candidatos, el disulfuro de molibdeno (MoS₂) es de particular interés, ya que tiene solo tres capas atómicas de espesor: una capa de átomos de molibdeno en el medio y una capa de átomos de azufre arriba y abajo.

Para integrar eficazmente este tipo de material TMD en una estructura de chip, el proceso de fabricación a menudo requiere "despegar solo una capa": eliminar con precisión la capa superior de átomos de azufre en la superficie y dejar intactas la capa inferior de molibdeno y la capa inferior de azufre. El método actual comúnmente utilizado en la industria es un proceso de grabado basado en plasma, que utiliza partículas cargadas de alta energía similares al estado físico del sol y las estrellas para bombardear la superficie del material y eliminar los átomos uno por uno.

La dificultad es que hay una distribución de la energía iónica en el plasma y la ventana del proceso es extremadamente estrecha para eliminar los átomos de azufre en la superficie sin dañar los átomos de molibdeno inmediatamente debajo. Si la energía es ligeramente menor, los átomos de azufre no se pueden eliminar por completo; si la energía es ligeramente mayor, la capa de molibdeno puede dañarse, provocando que todo el material pierda su valor como capa de canal de alto rendimiento. Es este problema de control de procesos de "ligera diferencia" el que ha restringido la aplicación a gran escala de materiales TMD en procesos de fabricación avanzados durante muchos años.

Este trabajo realizado por un equipo de investigación de Princeton y otras instituciones, a través de simulaciones por computadora a gran escala, encontró una solución de "ayuda química" aparentemente simple pero muy efectiva: recubrir funcionalmente la superficie del disulfuro de molibdeno con oxígeno o flúor antes del tratamiento con plasma. Los resultados de la simulación muestran que este paso adicional amplía significativamente la ventana del proceso de seguridad, haciendo que sea más fácil eliminar sólo la capa superior de átomos de azufre sin dañar la capa de molibdeno subyacente.

Las investigaciones muestran que para eliminar un átomo de azufre en la superficie del disulfuro de molibdeno sin tratar, se requiere una energía incidente de aproximadamente 30 electronvoltios. Una vez recubierto previamente con flúor, este umbral de energía se puede reducir a aproximadamente 10 electronvoltios; con una capa de oxígeno, se puede reducir a unos 14 electronvoltios. En comparación, las energías correspondientes a los dos resultados de "eliminar azufre" y "perforar la capa de molibdeno" en la situación original son muy cercanas, lo que dificulta evitar daños al cuerpo principal del material durante el procesamiento real.

Con recubrimientos de oxígeno o flúor, la energía necesaria para desprender los átomos de azufre se reduce significativamente, creando una mayor distancia del "umbral de daño". En esta ventana operativa más amplia, incluso si se producen ciertas fluctuaciones en la energía iónica en el plasma, sigue existiendo una mayor probabilidad de que solo se active la eliminación selectiva de átomos de azufre en la superficie sin dañar la capa de molibdeno en el núcleo de la estructura. Esta diferencia es fundamental en la búsqueda de precisión a nivel atómico en la fabricación de semiconductores.

El equipo de investigación señaló que la clave de la nueva estrategia es "dejar que las reacciones químicas ayuden" en lugar de depender exclusivamente del impacto físico de las partículas de plasma. Cuando los iones de alta velocidad golpean la superficie de MoS₂ previamente cubierta con oxígeno, dos átomos de oxígeno cercanos tenderán a combinarse con un átomo de azufre para generar una molécula de dióxido de azufre gaseoso. Esta molécula es termodinámicamente muy estable y es más fácil de desprenderse espontáneamente de la superficie del material, lo que equivale a "quitar azufre mediante una reacción química".

De manera similar, si se utiliza un recubrimiento de flúor, se generará un compuesto intermedio que contiene enlaces azufre-flúor, que también es más fácil de romper que los enlaces S-Mo originales, logrando así un grabado superficial suave y selectivo. El primer autor del artículo, Yury Polyachenko, estudiante de posgrado en el Departamento de Química de la Universidad de Princeton y miembro del Verano 2025 del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL), dijo que no rompieron directamente los enlaces químicos más fuertes dentro del material, sino que primero generaron "mejores" productos intermedios a través de la funcionalización y luego los eliminaron con menor energía.

Este resultado se publicó en The Journal of Physical Chemistry Letters y se analizó en detalle el impacto de diferentes métodos de funcionalización de superficies en las barreras energéticas y los riesgos de daños. El trabajo de simulación actual se centra principalmente en responder a la pregunta "¿Se dañará?" En la siguiente fase, el equipo planea cuantificar aún más los tipos de defectos específicos y las densidades producidas en diferentes condiciones de proceso, proporcionando así más orientación sobre parámetros operativos para la industria.

Los investigadores también planean extender esta idea a una gama más amplia de sistemas materiales, como reemplazar el molibdeno con tungsteno, reemplazar el azufre con selenio, etc., para ver si esta combinación de funcionalización de oxígeno/flúor y grabado selectivo con plasma también es aplicable. Si se pueden reproducir efectos similares en una variedad de materiales TMD, se abrirá más espacio para la selección de materiales de canales ultrafinos y el diseño de estructuras de apilamiento de múltiples materiales en el futuro.

La investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. y se llevó a cabo en el marco del proyecto de investigación de microelectrónica del Centro de Innovación de Materiales y Litografía Extrema emprendido por el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton. Las simulaciones numéricas relevantes a gran escala se realizan principalmente en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) y en los grupos de computación de alto rendimiento Stellar, Della y Tiger de la Universidad de Princeton.