Een chip in wording gedraagt zich soms net als een batterij. Een bron van ergernis voor de chipsbakker, een buitenkansje voor de micromechanicus.
Colin Ashruf legde het mechanisme bloot, en maakte er minuscule vliesjes mee.
Tot voor kort waren chips niet meer dan flipperkasten vol wild tollende elektronen. Saaie zwarte plakjes die weliswaar met duizelingwekkende snelheid data rondpompen, maar verder alleen een beetje warm worden. Om de gegevens ín een chip te krijgen, zijn nog altijd lapmiddelen als lichtoogjes en toetsenborden nodig.
Daar komt langzaam verandering in. Op microscopische schaal blijkt silicium, het brosse basismateriaal van de chip, namelijk uitstekende mechanische eigenschappen te hebben. Chipontwerpers proberen daarom naarstig beweeglijke structuren in hun circuits op te nemen. Met richeltjes, vliesjes en snaartjes zijn tenslotte ook minuscule meetinstrumentjes in elkaar te zetten. Sensoren op de chip zelf, die zo eindelijk ogen en oren krijgt.
De toenemende interesse voor deze meegebakken micromechanieken is goed verklaarbaar. De chipstechnologie evolueert in een ijltempo, dat de sensoren maar moeizaam kunnen bijbenen. Toch zal de combinatie van rekenkracht met een soort van zintuiglijke waarneming steeds belangrijker worden in toekomstige producten. Het ligt dus voor de hand de sensoren op de chip mee te bakken. Geen vervelende assemblage meer, en de meetresultaten kunnen op de chip direct verwerkt worden zonder de tussenkomst van iele stroomdraadjes.
Maar de micromechanica is tot nu toe voornamelijk een theoretische tak van sport. Colin Ashruf, die maandag promoveerde bij de faculteit ITS, weet hoe hij dunne vliesjes in silicium kan maken. Handig om luchtdruk te meten. Maar de gebruikelijke fabricagemethode is nog lang niet klaar voor bulkproductie.
,,De componenten op een chip maak je meestal door het materiaal dat je wilt behouden af te dekken met een beschermlaag, en de rest weg te etsen”, vertelt hij. ,,Door de reactie op tijd te stoppen houd je een membraan over. Daar plak je dan weer rekstrookjes op, zodat je de doorbuiging van het vliesje kunt meten. Zo maak je eenvoudig een barometer.”
Bijtmiddel
Al met al een omslachtig principe. Als chipontwerpers hun huiskamer volgens dezelfde methode zouden schilderen, begint het aardig op een bekende Mister Bean-sketch te lijken: eerst omslachtig alle meubels inpakken, om vervolgens de kamer vol verf te laten lopen.
Membranen voor drukmeters zijn nog iets lastiger te maken, omdat het etsproces op tijd gestopt moet worden. Chipontwerpers gebruiken daar vaak het galvanische etch-stop-proces voor. Het dunne membraanlaagje wordt eerst op een dikkere drager aangebracht, waarna de dragerlaag plaatselijkweer wordt verwijderd met een bijtmiddel. In de sandwich blijft dan een miniatuurtrommeltje van silicium over.
Om te zorgen dat het velletje niet óók oplost, wordt het van ander halfgeleidermateriaal gemaakt dan de dragerlaag. Ashruf: ,,De chipindustrie gebruikt grofweg twee soorten silicium: het n-type heeft een overschot aan elektronen, het p-type juist een tekort. Het aardige is dat je het n-type materiaal kunt beschermen door de oplossing onder stroom te zetten. Aan de min-kant wordt de dragerlaag van p-silicium dan gewoon weggevreten. Zodra het n-materiaal blootligt, groeit er echter spontaan een oxidelaag op. De reactie stopt, en het membraan blijft intact.”
Maar ook deze galvanische etsmethode kent beperkingen. ,,De silicium sandwich moet eerst in een houder worden geplaatst en van een elektrode worden voorzien. En dat wil je eigenlijk niet, want dat is een bron van ergernis. Bij het verwijderen van de houder treedt namelijk vaak breuk op, terwijl de opbrengst van deze methode al vrij laag is. Het zou dus mooi zijn als je iets anders kunt verzinnen.”
Toevalligerwijs liep zijn promotor in 1996 tegen een merkwaardig fenomeen aan. Tijdens een experiment hield de etsreactie ook spontaan op. Zonder dat daar een extra stroombron aan te pas kwam. Hoewel Ashruf toen al bezig was met zijn promotie, intrigeerde dit verschijnsel zo zeer dat hij het onderzoeksroer omgooide. Hij besloot het mechanisme uit te pluizen.
,,Ik vond dat eigenlijk een veel interessanter probleem, en ik dacht: dat ga ik uitzoeken. Dit verschijnsel werd namelijk nog slecht begrepen. Samen met een aantal elektrochemici uit Utrecht heb ik het principe uiteengerafeld. We wilden natuurlijk vooral weten hoe het werkt, maar ook of je er structuren mee kunt maken.”
Het was de onderzoekers wel duidelijk dat het iets te maken had met de gebruikte beschermlaag. ,,Bij dit experiment werd goud als etsmasker gebruikt. Normaal zou je siliciumnitride gebruiken, maar daar was geen apparatuur voor aanwezig. Voor het aanbrengen van een goudlaag kun je echter terugvallen op een minder kostbare opdampmethode.”
Plak
Uiteindelijk bleek het principe allang bekend te zijn onder de naam ‘batterij’. Verbind een metaal met een onedel metaal, dompel dit geheel in een geleidende vloeistof en er ontstaat een galvanisch element. Het minder edele materiaal corrodeert, en er gaat een stroom lopen.
,,Als je een goudlaag op een siliciumplak aanbrengt, creëer je in feite ook een batterij”, verklaart Ashruf. ,,In de etsvloeistof lost het onbeschermde silicium gewoon op. Maar omdat er ook een gesloten stroomkring ontstaat, krijgt materiaal van het n-type juist weer een beschermend oxidelaagje. Net als in het reguliere etch-stop-proces, maar dan zonder dat je een externe stroombron nodig hebt. De goud-silicium sandwich wekt zelf de stroom op om de reactie te laten stoppen.”
De gouden plak kan dus gewoon in het bijtmiddel worden gedompeld, zonder poespas met elektroden of speciale houders. Ashrufs vondst is zonder meer een flinke vooruitgang, maar ofde chipsindustrie zijn idee met open armen ontvangt valt nog te bezien. Chipsbakkers zijn als de dood voor goud. In de gecontroleerde omgeving van de clean room is het edelmetaal een zeer ongewenst element. ,,Goudatomen kunnen de chipproductie flink verstoren. Dit proces wordt daarom als ‘vies’ bestempeld. Je moet dus eerst de elektronische circuits aanbrengen en pas aan eind van de rit het goud aanbrengen en je membranen etsen.”
Een ander punt is de geringe efficiëntie van Ashrufs goud-silicium-‘batterij’. De stroomsterkte moet voldoende zijn om de etsing te stoppen, maar die is weer afhankelijk van de oppervlakteverhoudingen. ,,Het goudoppervlak moet daarom ongeveer zestien keer zo groot zijn als het membraanoppervlak”, licht Ashruf toe. ,,Maar dat betekent niet dat de rest van het chipoppervlak verloren ruimte is. Je kunt daar tenslotte je circuits op kwijt.”
Waarmee de spotgoedkope en totaal geïntegreerde elektronische barometer weer een stap dichterbij is. Mocht zijn etsmethode geen gouden tijden beleven, dan is er wat Ashruf betreft geen man overboord. De promovendus gaat nog een publicatie over zijn onderwerp schrijven, en wil dan misschien in Amerika aan de slag. Zijn ongebruikelijke promotietraject is Ashruf in elk geval goed bevallen.
,,Wat mij meeste aantrok is de samenwerking met allerlei specialisten. Ik heb al die contacten zelf geregeld, en die manier van werken ligt mij wel. Als je maar genoeg kennis bij elkaar haalt, kom je snel uit de problemen die je tegenkomt.” Waarna hij opbiecht: ,,Misschien niet helemaal de instelling die je van een onderzoeker verwacht, maar eigenlijk ben ik ook iets te ongeduldig om eerst stapels boeken door te nemen.”
Een chip in wording gedraagt zich soms net als een batterij. Een bron van ergernis voor de chipsbakker, een buitenkansje voor de micromechanicus. Colin Ashruf legde het mechanisme bloot, en maakte er minuscule vliesjes mee.
Tot voor kort waren chips niet meer dan flipperkasten vol wild tollende elektronen. Saaie zwarte plakjes die weliswaar met duizelingwekkende snelheid data rondpompen, maar verder alleen een beetje warm worden. Om de gegevens ín een chip te krijgen, zijn nog altijd lapmiddelen als lichtoogjes en toetsenborden nodig.
Daar komt langzaam verandering in. Op microscopische schaal blijkt silicium, het brosse basismateriaal van de chip, namelijk uitstekende mechanische eigenschappen te hebben. Chipontwerpers proberen daarom naarstig beweeglijke structuren in hun circuits op te nemen. Met richeltjes, vliesjes en snaartjes zijn tenslotte ook minuscule meetinstrumentjes in elkaar te zetten. Sensoren op de chip zelf, die zo eindelijk ogen en oren krijgt.
De toenemende interesse voor deze meegebakken micromechanieken is goed verklaarbaar. De chipstechnologie evolueert in een ijltempo, dat de sensoren maar moeizaam kunnen bijbenen. Toch zal de combinatie van rekenkracht met een soort van zintuiglijke waarneming steeds belangrijker worden in toekomstige producten. Het ligt dus voor de hand de sensoren op de chip mee te bakken. Geen vervelende assemblage meer, en de meetresultaten kunnen op de chip direct verwerkt worden zonder de tussenkomst van iele stroomdraadjes.
Maar de micromechanica is tot nu toe voornamelijk een theoretische tak van sport. Colin Ashruf, die maandag promoveerde bij de faculteit ITS, weet hoe hij dunne vliesjes in silicium kan maken. Handig om luchtdruk te meten. Maar de gebruikelijke fabricagemethode is nog lang niet klaar voor bulkproductie.
,,De componenten op een chip maak je meestal door het materiaal dat je wilt behouden af te dekken met een beschermlaag, en de rest weg te etsen”, vertelt hij. ,,Door de reactie op tijd te stoppen houd je een membraan over. Daar plak je dan weer rekstrookjes op, zodat je de doorbuiging van het vliesje kunt meten. Zo maak je eenvoudig een barometer.”
Bijtmiddel
Al met al een omslachtig principe. Als chipontwerpers hun huiskamer volgens dezelfde methode zouden schilderen, begint het aardig op een bekende Mister Bean-sketch te lijken: eerst omslachtig alle meubels inpakken, om vervolgens de kamer vol verf te laten lopen.
Membranen voor drukmeters zijn nog iets lastiger te maken, omdat het etsproces op tijd gestopt moet worden. Chipontwerpers gebruiken daar vaak het galvanische etch-stop-proces voor. Het dunne membraanlaagje wordt eerst op een dikkere drager aangebracht, waarna de dragerlaag plaatselijkweer wordt verwijderd met een bijtmiddel. In de sandwich blijft dan een miniatuurtrommeltje van silicium over.
Om te zorgen dat het velletje niet óók oplost, wordt het van ander halfgeleidermateriaal gemaakt dan de dragerlaag. Ashruf: ,,De chipindustrie gebruikt grofweg twee soorten silicium: het n-type heeft een overschot aan elektronen, het p-type juist een tekort. Het aardige is dat je het n-type materiaal kunt beschermen door de oplossing onder stroom te zetten. Aan de min-kant wordt de dragerlaag van p-silicium dan gewoon weggevreten. Zodra het n-materiaal blootligt, groeit er echter spontaan een oxidelaag op. De reactie stopt, en het membraan blijft intact.”
Maar ook deze galvanische etsmethode kent beperkingen. ,,De silicium sandwich moet eerst in een houder worden geplaatst en van een elektrode worden voorzien. En dat wil je eigenlijk niet, want dat is een bron van ergernis. Bij het verwijderen van de houder treedt namelijk vaak breuk op, terwijl de opbrengst van deze methode al vrij laag is. Het zou dus mooi zijn als je iets anders kunt verzinnen.”
Toevalligerwijs liep zijn promotor in 1996 tegen een merkwaardig fenomeen aan. Tijdens een experiment hield de etsreactie ook spontaan op. Zonder dat daar een extra stroombron aan te pas kwam. Hoewel Ashruf toen al bezig was met zijn promotie, intrigeerde dit verschijnsel zo zeer dat hij het onderzoeksroer omgooide. Hij besloot het mechanisme uit te pluizen.
,,Ik vond dat eigenlijk een veel interessanter probleem, en ik dacht: dat ga ik uitzoeken. Dit verschijnsel werd namelijk nog slecht begrepen. Samen met een aantal elektrochemici uit Utrecht heb ik het principe uiteengerafeld. We wilden natuurlijk vooral weten hoe het werkt, maar ook of je er structuren mee kunt maken.”
Het was de onderzoekers wel duidelijk dat het iets te maken had met de gebruikte beschermlaag. ,,Bij dit experiment werd goud als etsmasker gebruikt. Normaal zou je siliciumnitride gebruiken, maar daar was geen apparatuur voor aanwezig. Voor het aanbrengen van een goudlaag kun je echter terugvallen op een minder kostbare opdampmethode.”
Plak
Uiteindelijk bleek het principe allang bekend te zijn onder de naam ‘batterij’. Verbind een metaal met een onedel metaal, dompel dit geheel in een geleidende vloeistof en er ontstaat een galvanisch element. Het minder edele materiaal corrodeert, en er gaat een stroom lopen.
,,Als je een goudlaag op een siliciumplak aanbrengt, creëer je in feite ook een batterij”, verklaart Ashruf. ,,In de etsvloeistof lost het onbeschermde silicium gewoon op. Maar omdat er ook een gesloten stroomkring ontstaat, krijgt materiaal van het n-type juist weer een beschermend oxidelaagje. Net als in het reguliere etch-stop-proces, maar dan zonder dat je een externe stroombron nodig hebt. De goud-silicium sandwich wekt zelf de stroom op om de reactie te laten stoppen.”
De gouden plak kan dus gewoon in het bijtmiddel worden gedompeld, zonder poespas met elektroden of speciale houders. Ashrufs vondst is zonder meer een flinke vooruitgang, maar ofde chipsindustrie zijn idee met open armen ontvangt valt nog te bezien. Chipsbakkers zijn als de dood voor goud. In de gecontroleerde omgeving van de clean room is het edelmetaal een zeer ongewenst element. ,,Goudatomen kunnen de chipproductie flink verstoren. Dit proces wordt daarom als ‘vies’ bestempeld. Je moet dus eerst de elektronische circuits aanbrengen en pas aan eind van de rit het goud aanbrengen en je membranen etsen.”
Een ander punt is de geringe efficiëntie van Ashrufs goud-silicium-‘batterij’. De stroomsterkte moet voldoende zijn om de etsing te stoppen, maar die is weer afhankelijk van de oppervlakteverhoudingen. ,,Het goudoppervlak moet daarom ongeveer zestien keer zo groot zijn als het membraanoppervlak”, licht Ashruf toe. ,,Maar dat betekent niet dat de rest van het chipoppervlak verloren ruimte is. Je kunt daar tenslotte je circuits op kwijt.”
Waarmee de spotgoedkope en totaal geïntegreerde elektronische barometer weer een stap dichterbij is. Mocht zijn etsmethode geen gouden tijden beleven, dan is er wat Ashruf betreft geen man overboord. De promovendus gaat nog een publicatie over zijn onderwerp schrijven, en wil dan misschien in Amerika aan de slag. Zijn ongebruikelijke promotietraject is Ashruf in elk geval goed bevallen.
,,Wat mij meeste aantrok is de samenwerking met allerlei specialisten. Ik heb al die contacten zelf geregeld, en die manier van werken ligt mij wel. Als je maar genoeg kennis bij elkaar haalt, kom je snel uit de problemen die je tegenkomt.” Waarna hij opbiecht: ,,Misschien niet helemaal de instelling die je van een onderzoeker verwacht, maar eigenlijk ben ik ook iets te ongeduldig om eerst stapels boeken door te nemen.”
Comments are closed.