"Exacte plaatsing van atomen kan toekomstige chipinnovaties stimuleren"
Plaats-selectieve atomic layer deposition wordt volgens TU/e-onderzoeker Adrie Mackus een toonaangevende techniek als het gaat om het maken van de geavanceerde computerchips van de toekomst.
Computer chips. Microchips. Siliciumchips. De kleine computerapparaten die uw smartphone, laptop en tv aandrijven, hebben vele namen, en er zijn veel methoden om deze chips te maken. Eén zo’n methode is atomic layer deposition (ALD) – het proces waarbij atomen netjes op een oppervlak worden geplaatst om chips te bouwen. De afgelopen twintig jaar heeft het zijn waarde bewezen in de gereedschapskist voor de productie van microchips, maar nu is vernieuwing nodig. Nu het tijdperk van de nano-elektronica snel nadert en de noodzaak om duurzamer te zijn, zijn nauwkeurigere iteraties van ALD nodig om steeds kleinere chipstructuren te bouwen. Adrie Mackus en zijn collega's aan de TU/e lopen voorop in de ALD-ontwikkelingen, waarbij hun focus ligt op plaats-selectiviteit. Waarom zou het oplossen van de puzzel ‘AS-ALD’ een revolutie teweeg kunnen brengen in de manier waarop de industrie onze toekomstige chips maakt?
Stukje bij beetje. Laag op laag. Van beneden naar boven. Al deze uitdrukkingen beschrijven tot op zekere hoogte het proces van het bouwen van een huis of een microchip.
“Er is echter een subtiel verschil tussen het bouwen van een huis met bakstenen en een computerchip met moleculen”, zegt Adrie Mackus, universitair hoofddocent bij de faculteit Applied Physics and Science Education en onderdeel van het onlangs gelanceerde TU/e Future Chips Flagship-initiatief.
Mackus werkt aan een techniek die bekend staat als atomic layer deposition (ALD), een techniek die de afgelopen twintig jaar een cruciale techniek is geweest bij het maken van microchips.
Wat is atoomlaagdepositie (ALD)?
Hoewel de naam ‘atoomlaagdepositie’ suggereert dat individuele atomen één voor één worden gerangschikt om chips te maken, is de techniek iets ingewikkelder.
Om precies te zijn is ALD een dunnefilmdepositietechniek waarbij een heel dunne laag materiaal bovenop een andere laag eronder wordt afgezet. Centraal in de techniek staat het gebruik van chemische reactanten in een gasfase.
ALD bestaat uit twee belangrijke stappen: de precursorstap en de co-reactantstap. Tijdens de precursorstap wordt een molecuul (bijvoorbeeld een metaalorganisch molecuul) dat een atoom bevat dat moet worden afgezet, op het oppervlak geplaatst. Dit molecuul kan gemakkelijker aan het oppervlak binden dan het individuele atoom.
Vervolgens wordt tijdens de reactantstap het afgezette precursormolecuul blootgesteld aan een reactant, zoals water of zuurstof. Hierdoor worden de ongewenste segmenten van het grotere molecuul verwijderd, waardoor het gewenste atoom als een laag achterblijft.
Beeld: Bart Macco - aangepast van "Explorative studies of novel silicon surface passivation materials : Considerations and lessons learned", Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 188 (2018) 182–189. DOI: 10.1016/j.solmat.2018.07.003.
Het hoe en hoe oud
Het maken van kleine computerchips met ALD in de industrie is nogal ingewikkeld. Dus wanneer hem wordt gevraagd uit te leggen hoe ALD werkt, wendt Mackus zich tot de analogie met ‘woningbouw’.
“Als je een huis bouwt, leg je eerst de bakstenen neer en dan de mortel. Als we ramen of deuren buiten beschouwing laten, zitten er in wezen twee bouwmaterialen in elke metsellaag. Hetzelfde geldt voor ALD, waar we twee chemicaliën afwisselen om een atoomlaag te maken." [Zie hoogtepuntblok voor meer technische details.]
In 2024 viert ALD een belangrijke mijlpaal. "Deze zomer is het de 50e verjaardag van ALD", zegt Mackus. "Het heeft even geduurd voordat de techniek werd toegevoegd aan de gereedschapskist voor de productie van microchips, maar nu is het een van de meest gebruikte technieken."
De noodzaak van ALD-verandering
ALD kan een bepaald aantal atoomlagen aanbrengen, wat een groot voordeel is, maar het is niet zo eenvoudig als het plaatsen van vlakke lagen bovenop vlakke lagen. Computerchips worden vrijwel volledig top-down gemaakt, wat neerkomt op eerst depositie, gevolgd door patroonvorming en etsen. Dat is alsof je een huis bouwt door een kubus van bakstenen neer te zetten en vervolgens alle bakstenen weg te halen die je niet nodig hebt, in plaats van lokaal muren en vloeren te maken.
"Als je inzoomt op een computerchip, zie je verschillende ‘kamers’. Soms wil je materialen op de vloer van de woonkamer deponeren, maar niet in de keuken", merkt Mackus op.
"Een computerchip bestaat uit een stapel van honderden dunne films (elk kan tussen de 10 en 100 atoomlagenbevatten), maar door het herhaaldelijk deponeren en etsen wordt ook veel materiaal verspild", zegt Mackus. "Daarnaast zullen toekomstige computerchips afhankelijk zijn van het bouwen van kleine structuren op nanoschaal. Kortom, dit alles betekent dat we een preciezere plaatsing van kleinere bouwstenen nodig hebben."
Hoe werkt plaats-selectieve ALD precies?
Het uitgangspunt bij AS-ALD is een oppervlak met twee verschillende materialen, en het doel is om materialen op één oppervlak (het groeigebied) af te zetten en niet op de andere gebieden (de niet-groeigebieden).
In vergelijking met traditionele ALD omvat AS-ALD een extra stap waarbij inhibitormoleculen worden geabsorbeerd op de niet-groeigebieden (stap A). Het doel van de inhibitormoleculen is het voorkomen van absorptie van de precursormoleculen op de niet-groeigebieden.
Zodra de inhibitormoleculen op hun plaats zitten, volgt AS-ALD de precursorstap (B) en vervolgens de reactantstap, net als bij ALD. Tijdens de reactiestap (C) worden ook de inhibitormoleculen op de niet-groeigebieden verwijderd.
Beeld: Adrie Mackus
Het is tijd voor plaats-selectiviteit!
ALD heeft een leidende rol gespeeld bij de fabricage van chips, maar er zijn veranderingen gaande, gedreven door technologische vooruitgang en de noodzaak om duurzamer te zijn.
Nu microchips de nanoschaal omarmen, moet ALD met de tijd meegaan om structuren op nanoschaal te bouwen. Richting plaats-selectieve atoomlaagdepositie, AS-ALD.
"AS-ALD bestaat al zo’n twintig jaar, en het werk in dit veld stagneerde tien jaar geleden zelfs”, zegt Mackus. “Het is weer populair geworden en ik geloof dat de precieze plaatsing van atomen (ook wel een bottom-up-benadering genoemd) toekomstige chipinnovaties kan stimuleren."
Met plaats-selectief in de naam richt AS-ALD zich uitsluitend op het neerleggen van atomen op specifieke plekken. In vergelijking met ALD is het zeer geschikt voor het deponeren of uitlijnen van structuren op nanoschaal. Om plaats-selectieve afzetting te vergemakkelijken, hebben Mackus en zijn collega's het voortouw genomen bij het innoveren van de techniek.
"Om toekomstige chips te maken met de modernste transistors, moeten we structuren bouwen van slechts enkele nanometers groot, evenals complexe driedimensionale structuren. Als je in alle gaten en kieren in een driedimensionale structuur moet deponeren, kun je geen grote moleculen van twee tot drie nanometer groot gebruiken. We hebben kleine moleculen nodig om kleine structuren te helpen bouwen, en ons uitgangspunt is dat van kleine inhibitormoleculen die bepaalde delen van de chip tegen afzetting blokkeren."
De overstap naar de kleine inhibitormolecuul-benadering van AS-ALD verlaagt ook de drempel voor de industrie om op deze technologie over te stappen, omdat het mogelijk is om met kleine moleculen in de gasfase in vacuümsystemen te werken en het werken in oplossing te vermijden. "AS-ALD kan enorme stap voorwaarts zijn voor de industrie, maar het gaat erom de techniek robuust en betrouwbaar te maken, en ook eenvoudig te implementeren", voegt Mackus toe.
Op jacht naar de oplossing van de puzzel
Wat de toekomst betreft, heeft Mackus één hoofddoel. "We willen de puzzel van AS-ALD oplossen, maar om de puzzel op te lossen moeten we de puzzelstukjes vinden."
De puzzelstukjes waar Mackus hier naar verwijst, hebben betrekking op het vinden van inhibitormoleculen die werken voor elk materiaal, het ervoor zorgen dat alle inhibitormoleculen zich op dezelfde manier gedragen, en dat de inhibitormoleculen elk binnenkomend precursormolecuul volledig blokkeren.
Bovendien onderzoekt Mackus in zijn door de ERC gefinancierde project manieren om atomen op oppervlakken met welke oriëntatie dan ook te deponeren. "Tot nu toe lag de focus op het deponeren op vlakke oppervlakken, maar toekomstige chips bestaan uit complexe driedimensionale structuren. Het op elkaar stapelen van apparaten is gebruikelijkbij geheugenchips, maar ook logica-chips gaan die kant op, waardoor er technieken nodig zijn die dit kunnen bewerkstelligen."
En Mackus heeft er vertrouwen in dat de bevindingen van hem en zijn collega’s tot geweldige dingen zullen leiden. "We hopen de chipproductie te veranderen door de industrie te helpen bij het bouwen van de landschappen op nanoschaal van onze toekomstige chips."
Verdere informatie
Om zijn ALD-plannen te verwezenlijken werkt Mackus binnen de groep Plasma and Materials Processing van de faculteit Applied Physics and Science Education waarvan prof.dr. Erwin Kessels groepsleider is. Momenteel bestaat zijn team uit drie postdoctorale onderzoekers, zeven PhD-onderzoekers en enkele masterstudenten.
Bezoek de website Atomic Limits voor updates over de laatste ontwikkelingen van Mackus en zijn collega's op ALD.
Ook kunt u daar een reeks blogartikelen lezen over AS-ALD. Eén item heeft betrekking op volledig zelfuitgelijnde via's, wat wordt voorgesteld als de 'killer-applicatie' voor AS-ALD. De tweede in de serie gaat over metaal-op-metaal plaats-selectieve depositie, en de laatste inzending onderzoekt AS-ALD van diffusiebarrières voor interconnect-technologie.
Waarom we onze sleutelpositie op chipsgebied versterken
De komende jaren bouwt de TU/e haar sleutelpositie in de Nederlandse wetenschap op het gebied van halfgeleiders verder uit met het vlaggenschip Future Chips. Met dit initiatief geven we een impuls aan de ontwikkeling van chiptechnologie zodat we het zoeken naar oplossingen voor de grote maatschappelijke, economische en geopolitieke uitdagingen op dit gebied kunnen versnellen.
Bekijk de video en ontdek waarom wij dé chipuniversiteit van Nederland zijn.
Mediacontact
Het laatste nieuws
