Čo má elektronika spoločné s pečením? Okrem automatických rúr na chlieb a inteligentných mixérov ide iba o použitie metafory na opis výroby tenkovrstvovej elektroniky. Sústredíme sa najmä na polevu, extrémne tenkú a všetko pokrývajúcu vrstvu.
S tenkovrstvovou elektronikou prichádza v súčasnosti do kontaktu takmer každý človek, ktorý vlastní smartfón. Komponenty v smartfóne, ako je napríklad dotyková obrazovka, sú totiž z veľkej časti tvorené z tenkých vrstiev. Pri postupnom zmenšovaní procesorov musíme vyrábať tenší aj jeden z kritických komponentov – hradlový oxid (izolačná vrstva riadiacej elektródy tranzistora MOS). Aby sme dosiahli dostatočne tenkú vrstvu, musíme nájsť vhodný proces, ktorým ho upečieme.
Recept na procesor
Klasickú tortu pripravujeme tak, že si najprv upečieme korpus a potom začneme ukladať jednotlivé vrstvy. Na upečený tortový základ natrieme džem, pokračujeme ďalšou vrstvou korpusu, vrstvou krému, finálnou vrstvou korpusu, čokoládovou polevou a čerešničkami na vrchu. Ako však pečieme procesor? Ako korpus poslúži kremíkový substrát. Vrstvy tvoríme z kovov, oxidu, nitridov a iných anorganických alebo aj organických zlúčenín (OLED). Jednotlivé vrstvy sa tvarujú fotografickým procesom litografie. Na záver potrebujeme polevu, v tomto prípade vo forme už spomínaného hradlového oxidu. Narážame však na rovnaký problém, ako sa to stáva pri torte. Keď horúcu polevu nalejeme na vychladenú tortu, stuhne príliš rýchlo a nepodarí sa ju rozotrieť rovnomerne po celom povrchu. Takýmto spôsobom sme sa pokúsili naniesť na procesor polevu vo forme oxidu hliníka. No keď sme ho vyparili vo vákuovej komore pod čipom, kondenzoval na ňom prirýchlo a nepodarilo sa nám ho homogénne pokryť dostatočne tenkou vrstvou. V oboch prípadoch bol problém v rýchlosti reakcie, konkrétne v rýchlosti stavového prechodu. V prípade torty je náprava jednoduchá: tortu zohrejeme v rúre a opäť polejeme horúcou čokoládou. V prípade čipu to až také jednoduché nie je.
Úprava polevy
Riešenie nášho problému sa skrýva v použití extrémne pomalých chemických reakcií, čo úspešne dosahujeme technikou depozície z chemických pár. Vložíme čip piecť do 600-stupňovej horúcej vákuovej pece a v malých dávkach do nej pridávame organickú molekulu obsahujúcu hliník (ako prekurzor) a kyslík. Prekurzor a kyslík spolu zreagujú na žiadaný oxid hliníka, ktorý začne z plynu kondenzovať na každom povrchu. Keď je povrch komory v porovnaní so vzorkou veľký, tak na samotnej vzorke skondenzuje iba malé množstvo. Takto nám povrchová vrstva rastie rýchlosťou 10 až 100 nm/min, čo sa dá porovnať napríklad s priemernou rýchlosťou rastu vlasov (cca 15 cm/rok). Existujú však prípady, keď potrebujeme takú tenkú vrstvu, že ju nevieme naniesť depozíciou z chemických pár, ale potrebujeme ešte pomalšiu reakciu. V tomto prípade sa dá využiť jav adsorpcie, pričom ide o tvorbu chemických a fyzikálnych väzieb s povrchmi. Príkladom je adsorpcia vody vodíkovou väzbou na takmer všetky povrchy. Keď nájdeme vhodnú molekulu, ktorá adsorbuje na povrch substrátu (no nie sama na seba), mohli by sme pokryť substrát homogénnou molekulárnou vrstvou. V praxi sa ukazuje, že takéto molekuly sú pomerne bežné a nie je náročné syntetizovať ich pre veľké množstvo rôznych prvkov.
Kreatívni elektrotechnici
Príkladom takejto molekuly je trimetyl hliníka, ktorý dosadá na povrchy v molekulárnej vrstve. Tam následne zreaguje s vodnou parou a narastá oxid hliníka. Rýchlosť rastu je oveľa pomalšia, v tomto prípade 1 až 0,1 nm/min, čo je porovnateľné s rýchlosťou rastu stalaktitov 0,13 až 3 mm/rok. Túto techniku, nazývanú depozícia po atomárnych vrstvách, začala používať pri výrobe procesorov ako prvá spoločnosť Intel. V súčasnosti sa proces depozície používa v každom modernom procesore a v časti obrazoviek. V Elektrotechnickom ústave SAV v Bratislave používame toto riešenie – začali sme prekurzory do vákuovej komory vstrekovať piezoelektrickými vstrekovačmi z dieselových motorov. Vďaka tomu vieme tvoriť tenké vrstvy z obrovskej škály prvkov. Ako prekurzory používame vhodne rozpustené organometalické soli, a tým sa pridávame k špičkovému výskumu. V súčasnosti vyvíjame aj tenké vrstvy pre lítiové batérie.
Text a foto Ivan Kundrata
Elektrotechnický ústav SAV v Bratislave
