Miniatuurchips voor communicatietechnologie
Wetenschappers werken al jaren aan kleinere en goedkopere microelektronica voor toepassing in onder andere communicatietechnologie. FOM-postdoc Yan Zhuang en collega's van het Delfts Instituut voor Microelektronica en Submicron-technologie (DIMES) van de Technische Universiteit Delft hebben in samenwerking met OnStream B.V. in Eindhoven een stap in de goede richting gezet. Zij ontwikkelden een goedkope methode om hoogfrequente magnetische passieve componenten voor gebruik in geïntegreerde schakelingen te maken.
"Met de materialen die de industrie nu gebruikt zoals aluminium, silicium en siliciumdioxide kunnen we de passieve componenten zoals spoelen niet kleiner, beter en goedkoper meer maken. Ferromagnetische materialen bieden een nieuw perspectief maar zijn niet volgens de standaardtechnieken in de cleanroom te verwerken tot onderdelen voor chips", vertelt Zhuang. Probleem is het opbrengen van het ferromagnetische materiaal in een gewenst patroon op de chip. In de conventionele methode wordt een laag van het materiaal op de drager gebracht. Vervolgens wordt daar het gewenste patroon in geëtst met een plasma of door een chemische reactie te laten plaatsvinden. Echter, plasma-etsen of nat-chemisch etsen tasten de ferromagnetische eigenschappen, die juist zo gewenst zijn, aan. Zhuang: "Nadat we eerst onderzoek gedaan hebben naar de mogelijkheden van etsen, hebben wij de afgelopen zes maanden de zogenaamde 'lift-off shadow mask'-techniek ontwikkeld."
Schaduwmasker
Het substraat vormt een laag silicium waarvan het bovenste laag (ongeveer 4 micrometer) geoxideerd is tot siliciumdioxide met daarin series parallelle stroken aluminium van een paar micrometer dik. Na polijsten komen hier laagjes siliciumcarbonaat (0,5 micrometer), dat straks de onderliggende lagen tegen etsen beschermt, siliciumdioxide (1,6 micrometer), polyimide (3,5 micrometer) en siliciumnitride (0,8 micrometer) bovenop. Met plasma's etsen de onderzoekers het gewenste patroon in de laag siliciumnitride en vervolgens in de laag polyimide. Ze verwijderen vervolgens gedeeltelijk de laag siliciumdioxide, die daar weer onder ligt. Hierbij ontstaat het schaduwmasker: de overgebleven laagjes polyimide en siliciumnitride vormen het liggende deel van een T, gesteund door siliciumdioxide. Nu sputteren de onderzoekers een aantal lagen ferromagnetische materialen, chroom (5 nanometer), ijzercobalt (500 nanometer) en dan weer chroom (15 nanometer), over de gehele structuur, waarbij ook de gedeeltes in de schaduw bedekt worden. Belangrijk voor het verwijderen van het schaduwmasker is dat de ferromagnetische laag op de zij- en bovenkant van de T los is van de onderlaag (op het siliciumcarbonaat). Na het verwijderen van het schaduwmasker, is het mogelijk bepaalde delen van de ferromagnetische laag weg te halen zodat kernen in een gewenst patroon overblijven. Deze ferromagnetische kernen zijn makkelijk te verwerken tot een spoel of transformator: er gaat siliciumdioxide over waarin contactpunten gemaakt worden.
Solenoïde
Ferromagnetische dunne films zijn geschikt om bijvoorbeeld spoelen en transformatoren, die veel gebruikt worden in mobiele telefoons, van te maken. "Spoelen van conventionele materialen hebben de zogenaamde spirovorm. Een tweede standaardvorm, die voor deze materialen minder geschikt is, is de solenoïde. Ferromagnetische materialen blijken echter beter te presteren als we ze in de solenoïdevorm maken." Een ferromagnetische transformator of spoel is kleiner, en goedkoper, dan de huidige componenten. Daarnaast is het doorgaans beperkte frequentiebereik van ferromagnetische componenten verhoogd: recent is de frequentielimiet al opgeschoven van twee naar zeven gigahertz. Via kleinere chips is dit weer een stap op weg naar een generatie kleinere en lichtere mobiele telefoons.
Meer informatie over dit onderzoek is te verkrijgen bij dr. Yan Zhuang, tel.: (015) 278 79 64.