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Mikroprozessorsubstrat mit Graphen beschleunigt elektronische Bauelemente

Die Zukunft der Mikroprozessorelektronik ist Graphen. Bisher war es jedoch schwierig, Graphen in Fertigungsprozesse zu integrieren.

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Kohlenstoff existiert in verschiedenen physikalischen Formen; am bekanntesten dürften Diamant und Graphit (Bleistiftmine) sein. 2004 wurde eine weitere Modifikation seiner Struktur, das sogenannte Graphen, entdeckt. Graphen ist eine einzelne, eine Atomlage dicke Kohlenstoffschicht, die auch Röhren bilden kann. Das Material weist eine außergewöhnliche Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit und weitere interessante Eigenschaften auf. Die „Interconnects“ von Mikroprozessoren sind eine der vielen neu entdeckten Anwendungsmöglichkeiten von Graphen. Diese fungieren als interne „Drähte“ eines Chips und verbinden seine verschiedenen Mikrobausteine. Heute werden Interconnects aus Kupfer hergestellt, aber Graphen ist der effizientere Leiter. Um diese Anwendung zu realisieren, muss es gelingen, Graphen auf kompatible Weise mit den vorhandenen industriellen Halbleiterwerkzeugen und -prozessen zu bearbeiten. Dazu muss Graphen in genormte Halbleitersubstrate integriert werden. In Halbleiterfabriken herrschen jedoch höchste Anforderungen hinsichtlich der Reinheit, die bisher nur schwer zu erfüllen waren. Das EU-finanzierte Projekt G4SEMI hat nun eine Lösung entwickelt, welche die Anforderungen der Fabriken erfüllt und Graphen auf einem Substrat anbietet, das problemlos in die bestehenden Prozesse integriert werden kann. Resultat ist eine ganz neue Technologie: „Graphen auf Wafer“. Das Team demonstrierte ihre Eignung und vergrößerte ihren Fertigungsmaßstab.

Prototyp geht in die Vorproduktion

G4SEMI als Phase 2-Projekt baut auf der Synthese-Transfer-Technik mit chemischer Gasphasenabscheidung auf, die im Rahmen des EU-finanzierten Projekts Graphene Flagship entwickelt wurde. Dieses frühere Projekt arbeitete mit der potenziellen Kundschaft zusammen, um Daten über Anforderungen und Einschränkungen zu sammeln. G4SEMI brachte mithilfe dieser Informationen die Graphen-auf-Wafer-Technologie für die kommerzielle Halbleiterindustrie vom Prototyp bis in die Vorproduktionsphase. „Mit chemischer Gasphasenabscheidung“, erläutert Jesus de la Fuente, Koordinator von G4SEMI, „können wir in einem entsprechenden Reaktor eine hochwertige Graphenschicht auf einen speziellen Katalysator aufbringen.“ Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen. Der erste Schritt im Abscheidungsprozess umfasst die Herstellung eines Katalysators auf Kupferbasis, der im Reaktor eine Graphenschicht von hoher Qualität entstehen lässt. Der nächste Schritt besteht darin, auf dem Katalysator eine Graphenschicht zu züchten. Dazu wird der Katalysator unter perfekten Temperatur- und Druckbedingungen in den Reaktor gebracht. Quelle des Kohlenstoffs kann jedes kohlenstoffhaltige Gas sein.

Neuer Transferprozess und Demonstrationen

Die Kundschaft braucht das Graphen auf einem bestimmten Wafer, damit es in den existierenden Fabriken zum Einsatz kommen kann. „Um dieses Ziel zu erreichen“, fährt de la Fuente fort, „haben wir einen Transferprozess entwickelt, bei dem wir die Graphenschicht vom Substrat nehmen und auf den Trägerwafer bringen.“ Diesen Wafer kann die Kundschaft in ihre genormten Fertigungsprozesse einbinden. Das Team führte den effektiven Einsatz der neuen Verfahren in Fabriken für komplementäre Metalloxid-Halbleiter vor, welche den größten Teil des Marktes repräsentieren. Ein zentrales Element war die Hochskalierung der Produktion von 200 nm-Wafern, welche die Industrie dringend benötigt. Nach dem Erfolg des Projekts hat das Team ein Lieferabkommen mit wichtigen Industriepartnern abgeschlossen. Aufgrund dessen wird die Produktionskapazität um das 25-fache erhöht. Durch den Einsatz von Graphen für Interconnects wird ein wesentlicher Engpass in Bezug auf die Mikroprozessorgeschwindigkeit beseitigt. Die Technologie wird bei der Fertigung von modernsten medizinischen Biosensoren mit stark verbesserter Empfindlichkeit verwendet werden. Außerdem wird sie bei optischen Schaltern, die 100 Mal mehr Daten als die vorhandenen optischen Fasern bewegen können, und bei Chips mit höheren Speicherdichten zur Anwendung kommen.

Schlüsselbegriffe

G4SEMI, Graphen, Halbleiter, chemische Gasphasenabscheidung (CVD), Mikroprozessor, Interconnects, Graphen-auf-Wafer, Chip, komplementäre Metalloxid-Halbleiter, CMOS

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