De evolutie naar de nanoschaal

br />
,,Nanoschaal is een rekbaar begrip”, zegt prof.dr. C.I.M. Beenakker, hoofd van de sector IC devices. In verticale richting worden nanometerdimensies al in allerlei toepassingen gebruikt. Bij geavanceerde zonnecellen bijvoorbeeld zijn lagen van zo’n vijf nanometer geen uitzondering.

In de IC-technologie is er een trend om ook de dimensies in de breedte kleiner te maken. Beenakker: ,,Verbeterde cleanroom– technologie en -apparatuur heeft ertoe geleid dat er kleinere IC’s komen. De kosten van een chip zijn daarbij een belangrijke drijfveer. Hoe kleiner de transistoren op een chip, hoe kleiner de kans dat een stofdeeltje een transistor beschadigt en dus de hele chip niet werkt. Daarentegen wil men ook meer informatie op chips verwerken waardoor ze weer groter worden. Chips met een paar vierkante centimeter silicium zijn dan ook heel gewoon.”

De verkleining van de IC’s werd mogelijk doordat de kennis van het halfgeleidermateriaal silicium de afgelopen tien jaar sterk toenam. ,,Dat is niet alleen te danken aan de IC-specialisten”, zegt Beenakker. Doordat zonnecellen, sensoren en videoschermen ook gebruik maken van siliciumtechnologie, heeft er een wederzijdse bevruchting kunnen plaatsvinden.

Een voorbeeld zijn de platte beeldschermen, waarbij de transistoren op glas gemaakt worden. Alle productieprocessen moeten dan bij relatief lage temperaturen plaatsvinden omdat het glas anders smelt. Deze kennis kan eveneens in de IC-technologie gebruikt worden. Bij een lagere productietemperatuur vloeien de structuren op de chip minder uit. De IC’s worden zo sneller.

Doordat de siliciumtechnologie universeel is, passen in de toekomst steeds meer structuren op een chip. Dus een zonnecel om de zware batterij te vervangen, een hoogfrequent IC, een videoscherm en een ‘intelligente’ sensor als weerstation. Dit alles in een draagbaar systeem en geïntegreerd op een chip. In de nabije toekomst leidt dit tot producten als polscomputers. Deze kunnen draadloos verbonden worden met Internet, waar men zijn positie kan bepalen, een route kan laten uitstippelen en zijn bankrekening kan opvragen.
Rendabel

De kleinste dimensies op een commerciële chip zijn nu rond de 350 nanometer en in de experimentele fase zo’n 100 nanometer. Dit komt overeen met ongeveer 300 atomen naast elkaar. De apparatuur om deze chips te maken wordt steeds duurder. Beenakker: ,,Een redelijke chipfabriek kost nu zo’n twee tot vier miljard gulden. Kennelijk is deze investering nogrendabel. De vraag is of dat ook het geval is als die investering tien miljard bedraagt.”

Op den duur worden de devices zo klein dat fysische effecten op atomair niveau een rol gaan spelen. Quantum-mechanische effecten zorgen ervoor dat de structuren niet meer kunnen functioneren zoals ze bedoeld zijn. Dan moeten er totaal nieuwe concepten worden bedacht. Met deze stap voorwaarts houden de medewerkers van het nieuwe NEXT-laboratorium zich bezig.

De verwachting is dat nanotechnologie de eerste tien tot vijftien jaar geen concurrentie zal zijn voor de micro-elektronica. Voordat met de nanodevices uit het NEXT-lab commercieel te produceren zijn, gaat er nog een aantal decennia overheen. En dan is het nog de vraag of het de plaats van de microtechnologie zal innemen of dat de twee naast elkaar zullen blijven bestaan.
De lijn

Het NEXT-lab (Nanoscale Experiments and technology) werd afgelopen dinsdag geopend, en bevindt zich op de derde verdieping in het gebouw voor de Technische Natuurkunde. Onderzoekers gaan er structuren van slechts enkele nanometers maken en bestuderen. Hiervoor gebruiken ze een clustertool, een lange ultra-hoogvacuümbuis waaraan verschillende werkstations zijn gekoppeld. Het device wordt op een magnetische transportband tussen deze stations getransporteerd. Zo hoeft het nooit de stofvrije en vacuümomstandigheden te verlaten.

Projectleider dr. L.J. Geerligs legt uit dat de scanning tunneling microscope, de STM, het belangrijkste onderdeel van de lijn is. De STM werd in 1983 ontwikkeld door IBM en was oorspronkelijk bedoeld om oppervlakken van materialen te bekijken. De makers ontvingen er in 1986 de Nobelprijs voor. In 1990 gebruikten zij de STM om het IBM-logo op een metaaloppervlak te schrijven. Het gebruikte lijntje was slechts enkele atomen dik. Sindsdien wordt de STM ook steeds meer gebruikt om een oppervlak te manipuleren. Geerligs: ,,De resolutie van de STM is ééntiende nanometer en beter voor het positioneren van de ‘schrijfnaald’, de probe.”

De technieken die de nanotechnologie gebruikt, liggen grotendeels in het verlengde van de micro-elektronica. Geerligs: ,,Om een patroon van een chip op een silicium-oppervlak aan te brengen, maken we bijvoorbeeld gebruik van lichtgevoelige lak. In de nanotechnologie kan dat niet, want de lakmoleculen zijn te groot. In plaats daarvan bedekken we het siliciumoppervlak met een laagje chloorradicalen. Met de STM kunnen we selectief enkele chlooratomen met het onderliggende siliciumatoom loshalen. Later zie je dan dat er een gleufjespatroon in het silicium is ontstaan. In deze gleufjes krijg je makkelijker reacties met nieuwe stoffen dan op het gladde silicium-oppervlak, en zo kun je devices gaan bouwen.”
Biljarttafel

Vooralsnog zijn de belangrijkste doelstellingen van het NEXT-lab de quantummechanische expertise te vergroten, de industrievan dienst te zijn met het bestuderen van materiaaloppervlakken en chemische kristallisatie-eigenschappen bestuderen.

Concreet betekent dat het bouwen van atomaire biljarttafels. Een supergladde ondergrond is daarbij een absolute vereiste voor nanodevices. Metalen lenen zich hier beter voor dan halfgeleidermateriaal. Toch wil Dimes graag halfgeleiders gebruiken omdat de micro-elektronica daarop gebaseerd is. Geerligs ziet mogelijkheden in het defectvrij groeien van cobaltsilicium.

Een uitdaging op langere termijn is het maken van quantumdraden om devices met elkaar en overige apparatuur te verbinden. Vooralsnog is dat moeilijker dan de nanodevices zelf. Ook devices die werken bij warmere temperaturen en opschaling moet op termijn gerealiseerd worden. Nanodevices kunnen nu nog alleen maar één voor één gemaakt worden.

Auke, NB Kader!

Het is niet alleen kleiner dan de micro-elektronica, maar het werkt ook heel anders. Wat is een nanodevice eigenlijk?

,,Wanneer de devices slechts enkele nanometers groot zijn, krijg je te maken met andere fysische effecten dan in de gebruikelijke micro-elektronica”, legt prof.dr.ir. J.E. Mooij uit, hoogleraar nano-fysica bij Technische Natuurkunde. ,,Je ziet dan niet langer een gemiddeld gedrag van een heleboel elektronen, maar je krijgt te maken met het gedrag van een enkel elektron. Ladingen en energieniveaus lopen niet langer geleidelijk op, maar gaan sprongsgewijs met eenheden van de elementaire lading en via discrete energieniveaus omhoog.”

Met deze fysische effecten verwacht Mooij in de toekomst een heel ander soort devices, micro-elektronische structuren op een chip, te kunnen maken. ,,We zouden de transistoren en andere devices uit de huidige micro-elektronica met nanotechnieken wel kunnen namaken, maar ik verwacht niet dat die veel beter zullen presteren hun grotere broertjes. De kracht van nanostructuren zal zitten in een ander soort schakelingen die we hopelijk kunnen maken met nanodevices. De werking van deze schakelingen lijkt meer op die van de op de hersenen. Ze maken meer fouten, maar samen zijn ze ontzettend veel sneller. Het is een apart soort van parallel rekenen.”
Baat

Een aantal vakgebieden zal veel baat hebben bij deze nieuwe vorm van rekenen. Mooij: ,,Met name op het gebied van patroonherkenning zal het een grote stap vooruit kunnen betekenen.” Taalcomputers en mobiele beeldtelefoons bijvoorbeeld zullen daardoor veel makkelijker te realiseren zijn.

Het gedrag van nanodevices lijkt op het gedrag van atomen. Mooij is enthousiast over een device dat in Japan is gemaakt en dat zich gedraagt als een twee-dimensionaal atoom. Mooij: ,,Het device is weliswaar ruim honderd nanometer groot, maar bij temperaturen rond het absolute nulpunt vertoont het dezelfde effecten als een device dat uit een enkele laagatomen bestaat.”

Het onderzoek in de vakgroep vaste stof fysica in Delft zal zich de komende jaren concentreren op het maken van de zogenaamde quantumdots. Deze ontstaan onder speciale omstandigheden op het grensvlak van twee halfgeleidermaterialen. Elektronen hebben hier een grote golflengte en kunnen daardoor slechts in twee richtingen bewegen. Door spanning op dit grensvlak aan te leggen, concentreren de elektronen zich op bepaalde plekken in dit grensvlak, de quantumdots. Deze gedragen zich ook als twee-dimensionale atomen.
Pril

Mooij vindt het moeilijk aan te geven wat de toekomst zal brengen. ,,Nanotechnologie bevindt zich nog in een zeer pril stadium. Toen er nog geen transistoren waren, was het ook onmogelijk in te denken wat je ermee kan doen. Op zo’n punt zitten we nu ook met de nanotechnologie. We weten dat we met nanotechnologie totaal nieuwe devices kunnen maken, maar wat er precies mee mogelijk wordt, is nog heel moeilijk in te schatten.”

Is de nanotechnologie de laatste revolutie in de micro-elektronica? Mooij wil daar niet aan: ,,Dat zijn gevaarlijke uitspraken, die moet je nooit maken. Misschien kunnen we in de toekomst wel wat met nucleaire deeltjes, al verwacht ik dat niet in de komende eeuw.”

Na tien jaar micro-elektronische chips, stort DIMES zich in een nieuwe wereld: de nanotechnologie. Het jubilerende instituut opende deze week een laboratorium waarin dit nieuwe terrein op revolutionaire wijze ontgonnen kan worden, terwijl de rest van Dimes rustig evolueert naar de nanometers.

,,Nanoschaal is een rekbaar begrip”, zegt prof.dr. C.I.M. Beenakker, hoofd van de sector IC devices. In verticale richting worden nanometerdimensies al in allerlei toepassingen gebruikt. Bij geavanceerde zonnecellen bijvoorbeeld zijn lagen van zo’n vijf nanometer geen uitzondering.

In de IC-technologie is er een trend om ook de dimensies in de breedte kleiner te maken. Beenakker: ,,Verbeterde cleanroom– technologie en -apparatuur heeft ertoe geleid dat er kleinere IC’s komen. De kosten van een chip zijn daarbij een belangrijke drijfveer. Hoe kleiner de transistoren op een chip, hoe kleiner de kans dat een stofdeeltje een transistor beschadigt en dus de hele chip niet werkt. Daarentegen wil men ook meer informatie op chips verwerken waardoor ze weer groter worden. Chips met een paar vierkante centimeter silicium zijn dan ook heel gewoon.”

De verkleining van de IC’s werd mogelijk doordat de kennis van het halfgeleidermateriaal silicium de afgelopen tien jaar sterk toenam. ,,Dat is niet alleen te danken aan de IC-specialisten”, zegt Beenakker. Doordat zonnecellen, sensoren en videoschermen ook gebruik maken van siliciumtechnologie, heeft er een wederzijdse bevruchting kunnen plaatsvinden.

Een voorbeeld zijn de platte beeldschermen, waarbij de transistoren op glas gemaakt worden. Alle productieprocessen moeten dan bij relatief lage temperaturen plaatsvinden omdat het glas anders smelt. Deze kennis kan eveneens in de IC-technologie gebruikt worden. Bij een lagere productietemperatuur vloeien de structuren op de chip minder uit. De IC’s worden zo sneller.

Doordat de siliciumtechnologie universeel is, passen in de toekomst steeds meer structuren op een chip. Dus een zonnecel om de zware batterij te vervangen, een hoogfrequent IC, een videoscherm en een ‘intelligente’ sensor als weerstation. Dit alles in een draagbaar systeem en geïntegreerd op een chip. In de nabije toekomst leidt dit tot producten als polscomputers. Deze kunnen draadloos verbonden worden met Internet, waar men zijn positie kan bepalen, een route kan laten uitstippelen en zijn bankrekening kan opvragen.
Rendabel

De kleinste dimensies op een commerciële chip zijn nu rond de 350 nanometer en in de experimentele fase zo’n 100 nanometer. Dit komt overeen met ongeveer 300 atomen naast elkaar. De apparatuur om deze chips te maken wordt steeds duurder. Beenakker: ,,Een redelijke chipfabriek kost nu zo’n twee tot vier miljard gulden. Kennelijk is deze investering nogrendabel. De vraag is of dat ook het geval is als die investering tien miljard bedraagt.”

Op den duur worden de devices zo klein dat fysische effecten op atomair niveau een rol gaan spelen. Quantum-mechanische effecten zorgen ervoor dat de structuren niet meer kunnen functioneren zoals ze bedoeld zijn. Dan moeten er totaal nieuwe concepten worden bedacht. Met deze stap voorwaarts houden de medewerkers van het nieuwe NEXT-laboratorium zich bezig.

De verwachting is dat nanotechnologie de eerste tien tot vijftien jaar geen concurrentie zal zijn voor de micro-elektronica. Voordat met de nanodevices uit het NEXT-lab commercieel te produceren zijn, gaat er nog een aantal decennia overheen. En dan is het nog de vraag of het de plaats van de microtechnologie zal innemen of dat de twee naast elkaar zullen blijven bestaan.
De lijn

Het NEXT-lab (Nanoscale Experiments and technology) werd afgelopen dinsdag geopend, en bevindt zich op de derde verdieping in het gebouw voor de Technische Natuurkunde. Onderzoekers gaan er structuren van slechts enkele nanometers maken en bestuderen. Hiervoor gebruiken ze een clustertool, een lange ultra-hoogvacuümbuis waaraan verschillende werkstations zijn gekoppeld. Het device wordt op een magnetische transportband tussen deze stations getransporteerd. Zo hoeft het nooit de stofvrije en vacuümomstandigheden te verlaten.

Projectleider dr. L.J. Geerligs legt uit dat de scanning tunneling microscope, de STM, het belangrijkste onderdeel van de lijn is. De STM werd in 1983 ontwikkeld door IBM en was oorspronkelijk bedoeld om oppervlakken van materialen te bekijken. De makers ontvingen er in 1986 de Nobelprijs voor. In 1990 gebruikten zij de STM om het IBM-logo op een metaaloppervlak te schrijven. Het gebruikte lijntje was slechts enkele atomen dik. Sindsdien wordt de STM ook steeds meer gebruikt om een oppervlak te manipuleren. Geerligs: ,,De resolutie van de STM is ééntiende nanometer en beter voor het positioneren van de ‘schrijfnaald’, de probe.”

De technieken die de nanotechnologie gebruikt, liggen grotendeels in het verlengde van de micro-elektronica. Geerligs: ,,Om een patroon van een chip op een silicium-oppervlak aan te brengen, maken we bijvoorbeeld gebruik van lichtgevoelige lak. In de nanotechnologie kan dat niet, want de lakmoleculen zijn te groot. In plaats daarvan bedekken we het siliciumoppervlak met een laagje chloorradicalen. Met de STM kunnen we selectief enkele chlooratomen met het onderliggende siliciumatoom loshalen. Later zie je dan dat er een gleufjespatroon in het silicium is ontstaan. In deze gleufjes krijg je makkelijker reacties met nieuwe stoffen dan op het gladde silicium-oppervlak, en zo kun je devices gaan bouwen.”
Biljarttafel

Vooralsnog zijn de belangrijkste doelstellingen van het NEXT-lab de quantummechanische expertise te vergroten, de industrievan dienst te zijn met het bestuderen van materiaaloppervlakken en chemische kristallisatie-eigenschappen bestuderen.

Concreet betekent dat het bouwen van atomaire biljarttafels. Een supergladde ondergrond is daarbij een absolute vereiste voor nanodevices. Metalen lenen zich hier beter voor dan halfgeleidermateriaal. Toch wil Dimes graag halfgeleiders gebruiken omdat de micro-elektronica daarop gebaseerd is. Geerligs ziet mogelijkheden in het defectvrij groeien van cobaltsilicium.

Een uitdaging op langere termijn is het maken van quantumdraden om devices met elkaar en overige apparatuur te verbinden. Vooralsnog is dat moeilijker dan de nanodevices zelf. Ook devices die werken bij warmere temperaturen en opschaling moet op termijn gerealiseerd worden. Nanodevices kunnen nu nog alleen maar één voor één gemaakt worden.

Auke, NB Kader!

Het is niet alleen kleiner dan de micro-elektronica, maar het werkt ook heel anders. Wat is een nanodevice eigenlijk?

,,Wanneer de devices slechts enkele nanometers groot zijn, krijg je te maken met andere fysische effecten dan in de gebruikelijke micro-elektronica”, legt prof.dr.ir. J.E. Mooij uit, hoogleraar nano-fysica bij Technische Natuurkunde. ,,Je ziet dan niet langer een gemiddeld gedrag van een heleboel elektronen, maar je krijgt te maken met het gedrag van een enkel elektron. Ladingen en energieniveaus lopen niet langer geleidelijk op, maar gaan sprongsgewijs met eenheden van de elementaire lading en via discrete energieniveaus omhoog.”

Met deze fysische effecten verwacht Mooij in de toekomst een heel ander soort devices, micro-elektronische structuren op een chip, te kunnen maken. ,,We zouden de transistoren en andere devices uit de huidige micro-elektronica met nanotechnieken wel kunnen namaken, maar ik verwacht niet dat die veel beter zullen presteren hun grotere broertjes. De kracht van nanostructuren zal zitten in een ander soort schakelingen die we hopelijk kunnen maken met nanodevices. De werking van deze schakelingen lijkt meer op die van de op de hersenen. Ze maken meer fouten, maar samen zijn ze ontzettend veel sneller. Het is een apart soort van parallel rekenen.”
Baat

Een aantal vakgebieden zal veel baat hebben bij deze nieuwe vorm van rekenen. Mooij: ,,Met name op het gebied van patroonherkenning zal het een grote stap vooruit kunnen betekenen.” Taalcomputers en mobiele beeldtelefoons bijvoorbeeld zullen daardoor veel makkelijker te realiseren zijn.

Het gedrag van nanodevices lijkt op het gedrag van atomen. Mooij is enthousiast over een device dat in Japan is gemaakt en dat zich gedraagt als een twee-dimensionaal atoom. Mooij: ,,Het device is weliswaar ruim honderd nanometer groot, maar bij temperaturen rond het absolute nulpunt vertoont het dezelfde effecten als een device dat uit een enkele laagatomen bestaat.”

Het onderzoek in de vakgroep vaste stof fysica in Delft zal zich de komende jaren concentreren op het maken van de zogenaamde quantumdots. Deze ontstaan onder speciale omstandigheden op het grensvlak van twee halfgeleidermaterialen. Elektronen hebben hier een grote golflengte en kunnen daardoor slechts in twee richtingen bewegen. Door spanning op dit grensvlak aan te leggen, concentreren de elektronen zich op bepaalde plekken in dit grensvlak, de quantumdots. Deze gedragen zich ook als twee-dimensionale atomen.
Pril

Mooij vindt het moeilijk aan te geven wat de toekomst zal brengen. ,,Nanotechnologie bevindt zich nog in een zeer pril stadium. Toen er nog geen transistoren waren, was het ook onmogelijk in te denken wat je ermee kan doen. Op zo’n punt zitten we nu ook met de nanotechnologie. We weten dat we met nanotechnologie totaal nieuwe devices kunnen maken, maar wat er precies mee mogelijk wordt, is nog heel moeilijk in te schatten.”

Is de nanotechnologie de laatste revolutie in de micro-elektronica? Mooij wil daar niet aan: ,,Dat zijn gevaarlijke uitspraken, die moet je nooit maken. Misschien kunnen we in de toekomst wel wat met nucleaire deeltjes, al verwacht ik dat niet in de komende eeuw.”