Zelffabricerende chips

Herbert Blankesteijn

Electronische schakelingen moeten almaar kleiner, maar er is een limiet: het atoom. Fabricage op deze schaal kost steeds meer hoofdbrekens. In de laatste ontwikkelingen speelt zelfassemblage een rol: onderdelen zetten zichzelf in elkaar. De mens manipuleert moleculen van de stoffen die worden gebruikt, en de omstandigheden, zodat de gewenste materialen en onderdelen min of meer vanzelf ontstaan.

De industrie is toe aan transistors met afmetingen van 90 nanometer (nm) - ongeveer een tienduizendste mm. Elke paar jaar halveert deze maat. Chips worden nu nog gemaakt met fotografische technieken gevolgd door etsprocessen. De vereiste patronen worden op silicium aangebracht door lichtgevoelige stoffen te belichten, die daardoor weggewassen kunnen worden. Bij elke generatie chips zijn er nieuwe technieken nodig, moeten de werkomstandigheden nog schoner zijn en moet er weer een nieuwe fabriek worden gebouwd, die nog beter afgeschermd is tegen trillingen en nóg duurder. Kan dat niet anders? De hoop bestaat dat alternatieve processen goedkoper kunnen zijn.

De wetenschap is de industrie een straatlengte vooruit, en denkt al aan details van een nm of twintig. Dat zijn nog maar een paar honderd atomen op een rijtje. IBM bijvoorbeeld heeft een techniek ontwikkeld om nanokristallen van siliciumoxyde te maken van 20 nm doorsnede. De mallen hiervoor komen door zelfassemblage tot stand. IBM gebruikt moleculen die bestaan uit twee delen, die elkaar afstoten. Gelijksoortige helften trekken elkaar aan. Wanneer deze moleculen in een oplossing aan zichzelf worden overgelaten, vormen ze een zeshoekig patroon, dat IBM kan laten stollen tot een soort plastic mal. IBM heeft hiervan een animatie [http://domino.research.ibm.com/Comm/bios.nsf/pages/selfassembly-iedm.html/$FILE/ibm_selfassembly-iedm.mov] gemaakt.

In dit zeshoekige patroon deponeert IBM siliciumoxyde, waarna het plastic wordt verwijderd en vervangen door electrisch isolerend materiaal. Het resultaat [http://domino.research.ibm.com/Comm/bios.nsf/pages/selfassembly-iedm.html] kan dienen als basis voor flashgeheugens, die veel worden gebruikt in telefoons, digitale camera's en zakcomputers. IBM heeft nog geen proefchip vervaardigd en verwacht daarvoor nog zeker drie jaar nodig te hebben.

De groep van James Tour aan de Rice University in Houston, Texas heeft wel werkende chips gemaakt, en gebruikt daarvoor een nog wonderlijker techniek. Een extra wonderlijk detail is trouwens dat Tour cs hebben vastgesteld dat hun chips werken, maar niet weten hoe.

Uitganspunt is een plakje silicium, nog geen tiende mm groot, dat bespetterd is met goud en voorzien van een tiental electrische contacten. Het goud vormt een 'discontinue film' zoals de onderzoekers het formuleren. Er is in eerste instantie geen electrische geleiding tussen te contactpunten.

Dan komen de nanodraadjes, strengetjes goud van 30 nm dik en 300 tot 2000 nm lang. Ze worden op het plakje silicium aangebracht door dat in een oplossing te dopen. De gouddraadjes zijn zelf behangen met moleculen van de stof mononitro-oligophenyleen-ethynyleen. Stoffen van deze soort kunnen geheugen- en schakelgedrag vertonen tussen goudcontacten, schrijven de onderzoekers in hun publicatie van oktober 2003.

[Nanowires.jpg]

Hoe en waar de nanodraadjes op de goudfilm terechtkomen wordt dus aan het toeval overgelaten. Na deze 'fabricagestap' gaan Tour en collega's met speciale apparatuur via de electrische contacten de chip doormeten en programmeren. Het blijkt dat de schakelingen die zo ontstaan van buitenaf aan- en uitgezet kunnen worden, zodat de chip in een soort leerproces kan worden geprogrammeerd.

'Hoe dit werkt is nog onduidelijk,' mailt dr. Michael Stewart uit de groep van Tour aan Beet. 'Maar het lijkt erop dat we met spanningspulsen delen van de bedrading kunnen vormen dan wel verbreken.' In ieder geval hebben ze daar in Houston schakelingen gemaakt die werken als geheugen en die dagenlang hun informatie vasthielden, en schakelingen die tot logische operaties in staat waren, dus die zich processor-achtig gedroegen. In het nadeel van deze techniek spreekt het feit dat de schakelingen beduidend langzamer zijn dan op dit moment gebruikelijk is, en dat het programmeren tijd kost. Maar de fabricage zou lang niet zulke dure fabrieken vereisen.