IBM erzielt Durchbruch in der Chipherstellung durch an die Natur angelehnten Produktionsprozess

Der erste industrielle Einsatz des „Selbstanordnungsverfahrens“ erzeugt ein Vakuum zur Isolierung von Chips und Nanodrähten / Die neue Technologie steigert den Datendurchsatz und senkt den Energieverbrauch.
(PresseBox) (Stuttgart, ) IBM hat heute einen technologischen Durchbruch in der Chipherstellung bekannt gegeben. Zum ersten Mal ist das nanotechnologische Selbstanordnungsverfahren - ein aus der Natur übernommener Prozess – in der konventionellen Chipherstellung eingesetzt worden. Der natürliche Prozess, der Meeresmuscheln, Schneeflocken oder Zahnschmelz entstehen lässt, wurde von IBM aufgegriffen um Billionen kleinster Löcher zu erzeugen. Diese legen ein isolierendes Vakuum um die kilometerlangen nano-skalierten Kabelstränge in den Chips.

Im IBM Labor haben Forscher mit dieser Technologie bereits bewiesen, dass die elektronischen Signale auf den Chips im Vergleich zu konventionellen Chiptechniken entweder 35 Prozent schneller fließen können oder 15 Prozent weniger Strom verbrauchen.

Das von IBM patentierte Selbstanordnungsverfahren (self-assembly process) bringt eine Herstellungsmethode der Nanotechnologie zum ersten Mal in ein kommerzielles Produktionsumfeld. Dieser technologische Fortschritt ermöglicht unter Anwendung konventioneller Herstellungstechnologien eine Leistungsverbesserung der integrierten Schaltkreise, die zwei Generationen des Moor’schen Gesetzes entspricht.

Diese neue Form der Isolation wird von Wissenschaftlern oft als „Luftloch“ bezeichnet, was eigentlich eine falsche Bezeichnung ist, da die Vakuumlöcher frei von Luft sind. Die von IBM entwickelte Technik lässt ein isolierendes Vakuum zwischen den Kupferdrähten auf einem Computerchip entstehen, wodurch die elektrischen Signale schneller fließen beziehungsweise dabei weniger Strom verbrauchen. Durch das Selbstanordnungsverfahren entstehen nano-skalierte Muster, die die Luftlöcher formen. Diese Strukturen sind beträchtlich feiner als diejenigen, die mit dem herkömmlichen Lithographieverfahren erzeugt werden.

Ein Vakuum gilt als der beste Isolator, der im Bereich der Leitungskapazität bekannt ist. Dies ist von Bedeutung, wenn zwei Leiter, in diesem Fall die Kabel auf einem Chip, elektronische Energie voneinander abschöpfen. Dabei geben sie unerwünschte Hitze ab und verlangsamen die Geschwindigkeit, mit der die Daten durch den Chip bewegt werden.

Bisher waren die Chipdesigner meist gezwungen, der Kapazitätsproblematik durch einen immer höheren Stromfluss in den Chips entgegnen zu wirken. Das erzeugt im Prozess jedoch eine Reihe Probleme. Auch Isolatoren mit verbesserter Isolierungskapazität kamen bereits zum Einsatz, doch diese wurden dünn und zerbrechlich, da die Chipstrukturen immer kleiner und kleiner wurden. Zudem können ihre Isolierungseigenschaften nicht mit denen eines Vakuums verglichen werden.

Das Selbstanordnungsverfahren ist bereits in den neuesten IBM Fertigungslinien in East Fishkill, New York integriert und wird vorrausichtlich im Jahr 2009 komplett in die IBM Halbleiterfertigungslinie eingebunden werden. Die Chips werden zunächst in IBM Server Produktlinien eingesetzt. Anschließend wird die Technologie auch für Chips angewandt, die IBM für andere Unternehmen fertigt.

„Zum ersten Mal wurden diese selbstanordnenden Polymer befähigt, im Massenvolumen hergestellt und in ein existierendes Herstellungsverfahren integriert zu werden“, so Dan Edelstein, IBM Fellow und Chefwissenschaftler des Projektes „selbstanordnende Luftlöcher“. „Mit der Verlagerung des Selbstanordnungsverfahrens vom Labor in die Fabrik gelingt es Chips herzustellen, die kleiner und schneller sind sowie weniger Energie verbrauchen als es herkömmliche Materialien und Designarchitektur erlauben.“

Auch das IBM Team, dem es als erstes gelungen war, Kupferdrähte anstelle von Aluminium in Computerchips zu benutzen, wurde von Edelstein geleitet. Bis heute ist dies eine Standardmethode um Chips zu produzieren.

Das Geheimnis der Selbstanordnung

Das Revolutionäre dieser Entwicklung liegt darin, wie es den IBM Wissenschaftlern gelungen ist, das Selbstanordnungsverfahren aus dem Labor in die Produktionsherstellung zu bringen. Das neue Verfahren hat das Potential, Chips mit beständiger Höchstleistung in Millionenvolumina zu fertigen.

Heute werden Chips mit Kupferdrähten hergestellt, die von einem Isolator umschlossen sind. Hierzu wird eine Fotomaske benutzt um ein Schaltkreismuster mit einer Lichtstrahlung durch die Maske zu erzeugen und später die überschüssigen Teile chemisch zu entfernen.

Die neue Technologie überspringt den Einsatz der Maske und der Lichtstrahlung. Stattdessen haben die IBM Wissenschaftler eine spezielle Mischung an Komponenten entdeckt. Diese Mischung wird auf den Silizium Wafer mit den verkabelten Chipmustern gegossen und anschließend gebacken.

Dieses patentierte Verfahren erzeugt ein spezifisches Umfeld, in dem sich die Komponenten direkt über den gesamten 300mm Wafer anordnen und Billionen gleichförmiger nano-skalierter Löcher erzeugen. Diese Löcher haben einen Durchmesser von nur 20 Nanometern und sind bis zu 5-mal kleiner, als es mit der heutigen hochmodernen Lithographietechnik möglich wäre. Sind die Löcher geformt und das Karbon Silikatglas entfernt, entsteht ein Vakuum zwischen den Kabeln – die genannten Luftlöcher. Ihre Isolierungsleistung ermöglicht den elektronischen Signalen, entweder 35 Prozent schneller zu fließen oder 15 Prozent weniger Strom zu verbrauchen. Die Selbstanordnung wurde von Wissenschaftlern bei IBM erforscht, um Materialien zu erzeugen, die sich für die Herstellung von Computerchips eignen und weltweit in Laboren erprobt wurden. Dieser Prozess, der täglich in der Natur auftritt, wurde von IBM nachgeahmt. Doch während die Prozesse, die in der Natur auftreten, stets einmalig sind, ist es IBM möglich mit dem Selbstanordnungsverfahren Billionen von Löcher zu formen, die alle gleichförmig sind.

Die neue Technologie kann in allen Standard CMOS Produktionslinien ohne Unterbrechung oder Anschaffung neuer Geräte eingesetzt werden. Das Selbstanordnungsverfahren wurde vom IBM Almaden Research Center in San Jose, Kalifornien und dem T.J. Watson Research Center in Yorktown, New York entwickelt. Die Technik wurde für die kommerzielle Produktion am College of Nanoscale Science and Engineering der Universität in Albany, innerhalb der anerkannten Albany NanoTech Einrichtungen, einem Entwicklungszentrum in Albany, New York das mit IBM zusammen arbeitet und dem IBM Entwicklungszentrum in East Fishkill, N.Y. weiterentwickelt.

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