Hoe maak je miljarden transistoren nóg kleiner zonder ze tijdens de productie te beschadigen? Samsung ziet een oplossing in een techniek die materiaal vrijwel atoomlaag voor atoomlaag kan verwijderen.
Samsung-onderzoekers hebben een belangrijke stap gezet richting de productie van nog kleinere en nauwkeuriger halfgeleiderchips. Het Zuid-Koreaanse bedrijf heeft een bestaande productietechniek, atomic layer etching (ALE), zo aangepast dat deze beter bruikbaar wordt voor massaproductie. Daarmee pakt Samsung een probleem aan dat steeds urgenter wordt nu transistoren slechts enkele nanometers groot zijn.
Het onderzoek van een team onder leiding van Keun Hee Bai van Samsung Electronics is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Journal of Vacuum Science & Technology A. De onderzoekers richten zich niet zozeer op een compleet nieuwe chiptechnologie, maar op de vraag hoe ALE praktisch en efficiënt kan worden ingezet in een industriële chipfabriek.
Chips maken door materiaal weg te etsen
Bij het produceren van moderne chips moeten fabrikanten extreem kleine patronen aanbrengen in verschillende materiaallagen. Een veelgebruikte methode daarvoor is reactive-ion etching (RIE). Hierbij wordt plasma – een gas waarin elektrisch geladen deeltjes zitten – gebruikt om materiaal heel gericht weg te etsen.
RIE is snel en bewezen, maar heeft nadelen. De energierijke ionen kunnen het oppervlak beschadigen en bij steeds kleinere structuren worden zelfs minimale afwijkingen problematisch.
ALE werkt veel gecontroleerder. In plaats van in één keer materiaal te verwijderen, gebeurt dat laag voor laag via een reeks chemische reacties. In het ideale geval kan een fabrikant daarmee materiaal vrijwel atoomlaag voor atoomlaag verwijderen.
Dat biedt veel meer controle, maar heeft een prijs: ALE bestaat uit meerdere opeenvolgende processtappen en is daardoor relatief langzaam en complex. Precies dat bemoeilijkt toepassing in fabrieken die enorme aantallen chips moeten produceren.
Samsung bekijkt ALE als industrieel proces
Het Samsung-team koos daarom voor een andere benadering. In plaats van iedere afzonderlijke processtap apart te optimaliseren, bekeken de onderzoekers het complete ALE-proces als één samenhangend systeem.
Volgens hen kan een combinatie van zorgvuldig procesontwerp, optimalisatie en een eenvoudigere procesarchitectuur veel van de bestaande beperkingen verminderen. Dat is belangrijk, want in een chipfabriek telt niet alleen hoe nauwkeurig een techniek is, maar ook hoe snel en betrouwbaar duizenden wafers verwerkt kunnen worden.
ALE heeft bovendien een interessant geometrisch voordeel. Volgens Bai kan de methode structuren met vrijwel verticale wanden en hoeken van 90 graden produceren, terwijl de breedte door verschillende materiaallagen uniform blijft.
Waarom dit belangrijk is voor toekomstige chips
Dat klinkt als een klein detail, maar op nanometerschaal is geometrie cruciaal. Moderne transistors bestaan steeds vaker uit ingewikkelde driedimensionale structuren. Naarmate fabrikanten meer onderdelen boven en naast elkaar bouwen, moeten patronen uiterst nauwkeurig worden geëtst zonder omliggend materiaal te beschadigen.
De vooruitgang betekent niet dat Samsung nu plotseling een geheel nieuwe generatie chips kan produceren. Het onderzoek laat vooral zien hoe een al bekende, zeer nauwkeurige techniek dichter bij grootschalige toepassing kan worden gebracht.
En juist daar ligt een van de grootste uitdagingen voor de chipindustrie: op laboratoriumschaal structuren van enkele nanometers maken is één ding. Ze miljarden keren goedkoop, snel en vrijwel foutloos produceren is iets heel anders.
