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Substrati di microprocessore in grafene velocizzano i dispositivi elettronici

Il grafene è il futuro dell’elettronica basata su microprocessori, ma fino a oggi, integrarlo nei processi di fabbricazione è stato difficile.

Economia digitale
Tecnologie industriali

Il carbonio esiste in diverse forme fisiche, tra le quali il diamante e la grafite (la mina della matita) sono le più conosciute. Nel 2004 è stata scoperta un’ulteriore struttura chiamata grafene. Il grafene è un singolo foglio di carbonio, di spessore monoatomico, che può anche formare tubi. Si tratta di un materiale dalla straordinaria resistenza, conduttività elettrica e altre proprietà. Uno dei tanti nuovi impieghi del grafene scoperto di recente è per le «interconnessioni» di microprocessore, che funzionano come i fili interni di un chip, collegando i suoi vari microcomponenti. Le interconnessioni attuali sono realizzate in rame, ma il grafene è un conduttore più efficiente. Affinché questa applicazione sia fattibile, il grafene deve essere reso compatibile con gli strumenti e i processi industriali esistenti per i semiconduttori. Ciò comporterà l’integrazione del grafene nei substrati standard dei semiconduttori. Tuttavia, le fabbriche di semiconduttori hanno requisiti di purezza molto esigenti che, finora, si sono rivelati difficili da soddisfare. Il progetto G4SEMI, finanziato dall’UE, ha sviluppato una soluzione che soddisfa i requisiti di fabbrica e offre grafene su un substrato che può essere facilmente integrato nei processi esistenti. Il risultato è una nuova tecnologia chiamata grafene su wafer. Il team ha dimostrato la sua idoneità e lo ha riprodotto su scala industriale.

Dal prototipo alla fase di pre-produzione

G4SEMI, come progetto di fase 2, si basa sulla tecnologia di trasferimento di sintesi per la deposizione chimica da vapore (CVD, chemical vapour deposition) sviluppata nel progetto Graphene Flagship, finanziato dall’UE. Questo progetto precedente ha collaborato con i potenziali clienti per comprendere le loro esigenze e i loro limiti. Grazie a questi apporti, G4SEMI ha trasferito la tecnologia del grafene su wafer da un prototipo alla fase di pre-produzione per l’industria dei semiconduttori commerciali. «Grazie alla CVD, spiega Jesus de la Fuente, coordinatore di G4SEMI, possiamo depositare uno strato di grafene di alta qualità su uno speciale catalizzatore in un reattore per CVD.» I catalizzatori accelerano le reazioni chimiche. Il primo passo nel processo di deposizione consiste nella preparazione di un catalizzatore a base di rame, che crea uno strato di grafene di alta qualità nel reattore per CVD. Il passo successivo è la crescita di uno strato di grafene sul catalizzatore. Ciò comporta l’immissione del catalizzatore nel reattore in perfette condizioni di temperatura e pressione. Qualsiasi gas di carbonio può essere la fonte di carbonio.

Nuovo processo di trasferimento e dimostrazioni

I clienti hanno bisogno del grafene su un wafer specifico, in modo che possa essere utilizzato nelle fabbriche esistenti. «Per raggiungere questo obiettivo», prosegue de la Fuente, «abbiamo sviluppato un processo di trasferimento in cui prendiamo lo strato di grafene dal substrato e lo trasferiamo sul wafer portante». Il cliente può inserire questo wafer nei suoi processi di produzione standard. Il team ha dimostrato l’uso efficace dei nuovi metodi nelle fabbriche di CMOS (semiconduttori complementari a ossido metallico), i più diffusi sul mercato. Un elemento chiave è stato l’aumento della produzione dei wafer nella scala di 200 mm di cui l’industria ha bisogno. A seguito del successo del progetto, il team ha concluso un accordo di fornitura con i principali partner industriali. Ciò comporterà un aumento della capacità produttiva di 25 volte. L’uso del grafene per le interconnessioni elimina un ostacolo prima insormontabile nella velocità del microprocessore. La tecnologia sarà applicata alla produzione di biosensori medici avanzati con sensibilità notevolmente migliorata. Sarà anche applicata a commutatori ottici in grado di spostare 100 volte più dati rispetto alle fibre ottiche esistenti, e a chip con densità di memoria più elevate.

Parole chiave

G4SEMI, grafene, semiconduttore, deposizione chimica da vapore (CVD), microprocessore, interconnessioni, grafene su wafer, chip, CMOS

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