Op weg naar krachtigere, kleinere chips dankzij nieuwe isolatietechniek

Leuven, 4 september 2019 - Wetenschappers van de KU Leuven en imec hebben met succes een nieuwe techniek ontwikkeld om microchips te isoleren. Ze maken daarbij gebruik van metaal-organische roosters, een nieuw type van materialen met gestructureerde poriën op nanoschaal. Op termijn kan deze methode bijdragen tot de ontwikkeling van nog kleinere en krachtigere chips die minder energie verbruiken. Voor de verdere ontwikkeling ontvangt het onderzoeksteam een ERC Proof of Concept grant. 

Computerchips worden steeds kleiner. Een nieuw gegeven is dat niet: Gordon Moore, één van de oprichters van chipfabrikant Intel, voorspelde het al in 1965. De wet die zijn naam draagt, stelt dat het aantal transistoren op een chip, of geïntegreerde schakeling, per jaar zal verdubbelen. De prognose werd later nog bijgesteld naar 18 maanden, maar de theorie houdt wel stand. Chips worden steeds kleiner en hun rekenkracht neemt toe. Anno 2019 kan een chip meer dan een miljard transistoren tellen.

Die voortdurende verkleining brengt ook een aantal obstakels met zich mee. De schakelaars en draden zijn zo dicht opeengepakt dat er meer weerstand ontstaat en de chip meer energie verbruikt om signalen te versturen. Om de chip goed te laten functioneren is een isolerende stof nodig die de draden van elkaar scheidt en ervoor zorgt dat de elektrische signalen niet verstoord raken. Op nanometerschaal is dat echter een moeilijke opgave.

Nanoporeuze kristallen

Een studie onder leiding van KU Leuven-professor Rob Ameloot (Departement Microbiële en Moleculaire Systemen) toont aan dat een nieuwe techniek de oplossing kan bieden. “Als isolerende stof gebruiken we metaal-organische roosters (Metal-Organic Frameworks of MOF). Dat zijn materialen die bestaan uit metaalionen en organische moleculen. Het vormt een kristal dat poreus is maar tegelijkertijd stevig.”

Een onderzoeksteam van KU Leuven en imec is er voor het eerst in geslaagd om de MOF-isolatie toe te passen op elektronisch materiaal. Ze gebruiken daarvoor een industriële methode, genaamd dampfasedepositie, zegt postdoctoraal onderzoeker Mikhail Krishtab (Departement Microbiële en Moleculaire Systemen). “We plaatsen eerst een oxidelaag op het oppervlak, waarna we die laten reageren met damp van het organisch materiaal. Door die reactie zet het materiaal zich uit en worden de nanoporeuze kristallen gevormd.”

“Het grote voordeel van deze methode is dat ze bottom-up werkt”, aldus Krishtab. “We brengen eerst de oxidefilm aan en die zwelt vervolgens op tot een zeer poreus MOF-materiaal. Vergelijk het met een soufflé die uitzet in de oven en erg luchtig wordt. Het MOF-materiaal vormt een poreuze structuur en vult alle ruimtes tussen de geleiders. Zo weten we dat de isolatie compleet en homogeen is. Bij andere methodes die top-down werken, kunnen er altijd nog kleine lacunes in de isolatie zijn.”

Krachtig én zuinig

De onderzoeksgroep van Rob Ameloot ontvangt een ERC Proof of Concept grant om de techniek verder op punt te stellen, in samenwerking met het team van Silvia Armini bij imec. “Bij imec hebben we de expertise om oplossingen te ontwikkelen op siliciumschijven. We kunnen technologie dus opschalen van het lab naar de fabrikant en zo effenen we het pad voor de realisatie van een industrieel produceerbare oplossing.”

“We hebben aangetoond dat het MOF-materiaal de juiste eigenschappen heeft”, vervolgt professor Ameloot. “Nu moeten we de afwerking nog verfijnen. Het oppervlak van de kristallen is nu nog onregelmatig. Om het materiaal te integreren in een chip, moeten we het oppervlak egaliseren.”

Eens de techniek op punt staat, kan die bijdragen tot krachtige, kleine chips met minder energieverbruik.

Ameloot: “Voor verschillende AI-toepassingen is er veel rekenkracht nodig. Denk bijvoorbeeld aan autonoom rijden en smart cities. Technologiebedrijven zijn voortdurend op zoek naar nieuwe oplossingen die zowel snel zijn als energiezuinig. Met ons onderzoek kunnen we een belangrijke bijdrage leveren aan een nieuwe generatie van chips.”

Meer informatie

De volledige tekst van de studie “Vapor-deposited zeolitic imidazolate frameworks as gap-filling ultra-low-k dielectrics” is gepubliceerd in ‘Nature Communications’.

De Proof of Concept grants worden uitgereikt aan ERC grant holders om hun onderzoeksideeën dichter bij de markt te brengen. Deze Proof of Concept grant (LO-KMOF) bouwt voort op onderzoek ondersteund door een ERC Starting Grant (grant agreement n° 716472, VAPORE).

Lees meer
Hanne Degans
press communications manager - imec
Silvia Armini
Unit Process and Modules, imec
Professor Rob Ameloot - KU Leuven
Centre for Membrane Separations, Adsorption, Catalysis, and Spectroscopy for Sustainable Solutions
Bart Van Duffel - KU Leuven
Centre for Membrane Separations, Adsorption, Catalysis, and Spectroscopy for Sustainable Solutions
KU Leuven Newsroom
Media enquiries: Tine Danschutter, Bregt Van Hoeyveld, Elisa Nelissen & spokesperson Sigrid Somers

Over imec


Imec is ’s werelds toonaangevende onderzoeks- en innovatiehub op het vlak van nano-elektronica en digitale technologie. De combinatie van onze voortrekkersrol in microchiptechnologie en onze software- en ICT-expertise maakt ons uniek. Imec beschikt over een unieke infrastructuur en een lokaal en internationaal ecosysteem van partners in diverse sectoren. Samen werken we aan baanbrekende innovatie in toepassingsdomeinen zoals gezondheidszorg, slimme steden en mobiliteit, logistiek en Industrie 4.0, energie en onderwijs.

Imec is een vertrouwde partner van bedrijven, start-ups en universiteiten, en brengt meer dan 4.000 topwetenschappers uit meer dan 97 landen samen. Imec heeft zijn hoofdzetel in Leuven en R&D-groepen die verspreid zijn over een aantal Vlaamse universiteiten, in Nederland, Taiwan, de VS, en kantoren in China, India en Japan. In 2018 bedroegen de bedrijfsopbrengsten van imec 583 miljoen euro. Meer informatie op www.imec-int.com

Imec is a registered trademark for the activities of IMEC International (a legal entity set up under Belgian law as a "stichting van openbaar nut”), imec Belgium (IMEC vzw supported by the Flemish Government), imec the Netherlands (Stichting IMEC Nederland, part of Holst Centre which is supported by the Dutch Government), imec Taiwan (IMEC Taiwan Co.) and imec China (IMEC Microelectronics (Shanghai) Co. Ltd.) and imec India (Imec India Private Limited), imec Florida (IMEC USA nanoelectronics design center).

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over. Lees ook ons privacy statement. Sommige inhoud (video's, iframes, formulieren,...) op deze website zal pas zichtbaar zijn na het accepteren van de cookies.

Accepteer cookies