Grafenowe podłoże mikroprocesorów zwiększy wydajność urządzeń elektronicznych

Węgiel występuje w kilku formach, spośród których najlepiej znane są diamenty oraz grafit wykorzystywany do wytwarzania ołówków. W 2004 roku naukowcom udało się wyizolować kolejną formę węgla, którą nazwali grafenem. Grafen to pojedyncza warstwa węgla o grubości zaledwie jednego atomu, umożliwiająca formowanie rurek. Nowy materiał charakteryzuje się niezwykłą wytrzymałością, przewodnictwem elektrycznym i innymi niecodziennymi właściwościami. Jednym z najnowszych zastosowań grafenu jest wykorzystywanie go do wykonywania połączeń wewnątrz mikroprocesorów, pełniących rolę przewodów łączących poszczególne mikrokomponenty układu scalonego. Obecnie tego rodzaju połączenia są wykonywane z miedzi, jednak grafen jest znacznie lepszym przewodnikiem. Aby umożliwić zastosowanie tego materiału w taki sposób, konieczne jest jego przystosowanie do istniejących narzędzi i procesów wykorzystywanych przez producentów elementów półprzewodnikowych, co wymaga połączenia grafenu z istniejącymi podłożami półprzewodnikowymi. Producenci układów scalonych mają jednak niezwykle wyśrubowane wymagania dotyczące czystości materiału, które do tej pory były niezwykle trudne do spełnienia. Zespół finansowanego przez Unię Europejską projektu G4SEMI opracował rozwiązanie, dzięki któremu możliwe jest sprostanie wymaganiom producentów i uzyskanie grafenu na podłożu, które można łatwo wykorzystać w istniejących procesach. W rezultacie prac zespołu powstała nowa technologia nazywana „grafenem na waflu” (ang. graphene on wafer). Zespół zademonstrował już użyteczność nowego rozwiązania i zwiększył skalę produkcji. Od prototypu do fazy wstępnej produkcji Uczestnicy drugiej fazy projektu G4SEMI postanowili wykorzystać technologię transferu syntezy osadzania chemicznego z fazy gazowej, opracowaną w ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu Graphene Flagship. Celem poprzedniego projektu było nawiązanie współpracy z potencjalnymi klientami w celu ustalenia ich potrzeb i ograniczeń istniejących rozwiązań. Mając do dyspozycji te informacje, zespół był w stanie rozwinąć technologię grafenu na waflu od fazy prototypu do etapu wstępnej produkcji na potrzeby komercyjnego wytwarzania elementów półprzewodnikowych. – Dzięki tej technologii jesteśmy w stanie osadzać warstwy grafenu wysokiej jakości na specjalnym katalizatorze w reaktorze osadzania chemicznego z fazy gazowej – wyjaśnia Jesus de la Fuente, koordynator projektu G4SEMI. Katalizatory przyspieszają reakcje chemiczne. Pierwszym krokiem w procesie osadzania jest przygotowanie katalizatora na bazie miedzi, dzięki któremu w reaktorze powstaje warstwa grafenu wysokiej jakości. Kolejnym krokiem jest osadzenie warstwy grafenu na bazie katalizatora. Proces polega na wprowadzeniu katalizatora do reaktora pod idealnym ciśnieniem i w idealnej temperaturze. Źródłem węgla może być dowolny gaz zawierający atomy węgla. Nowy proces transferu i demonstracje Jednym z wymagań klientów jest zapotrzebowanie na grafen na waflach o określonych rozmiarach, dzięki czemu będą mogły być wykorzystywane w istniejących zakładach produkcyjnych. – Udało nam się zaspokoić tę potrzebę dzięki opracowaniu procesu transferu, w ramach którego usuwamy warstwę grafenu z podłoża i przenosimy ją na wafel będący nośnikiem – dodaje de la Fuente. Klient końcowy może następnie wykorzystać tak przygotowany wafel w ramach realizowanych przez siebie procesów produkcyjnych. Zespół zademonstrował skuteczne wykorzystanie nowych metod w zakładach produkcyjnych wytwarzających elementy półprzewodnikowe przy użyciu technologii CMOS – tego rodzaju produkcja nadal stanowi ogromną część rynku. Kluczową kwestią pozostawało zwiększenie produkcji wafli w skali 200 mm, wykorzystywanych w produkcji przemysłowej. Sukces projektu przyczynił się do podpisania przez zespół umów na dostawy z kluczowymi partnerami przemysłowymi, co pozwoli na 25-krotne zwiększenie możliwości produkcyjnych. Zastosowanie grafenu w wewnętrznych połączeniach pozwala na wykluczenie największego wąskiego gardła ograniczającego szybkość mikroprocesorów. Nowa technologia zostanie wykorzystana między innymi do produkcji zaawansowanych biosensorów medycznych o znacznie lepszej czułości niż dotychczasowe rozwiązania. Nowe układy wykorzystujące grafen znajdą również zastosowanie w optycznych przełącznikach sieciowych, dzięki którym będą w stanie przesyłać stokrotnie więcej danych niż dotychczasowe rozwiązania oparte na światłowodach, a także w układach scalonych o większej gęstości pamięci. Źródło: CORDIS