De klyver transistorerna på mitten – kan ge billigare halvledare

2021-10-13 06:00  

Allt började med ett misslyckat experiment. Nu har Lundabolaget Alixlabs har tagit fram en teknik för att halvera halvledare, ett atomlager i taget.

I halvledarbranschen sker den stora utvecklingen genom miniatyrisering. Genom att ständigt tillverka mindre och mindre kretsar går det att exempelvis få in fler transistorer på samma yta, och på så vis öka prestandan i en processor. 

Det är grundprincipen bakom Moores lag, Intel-grundaren Gordon E. Moores gamla devis om att antalet transistorer som ryms på ett chip ökar exponentiellt, och beräkningskraften med dem.  

Men i takt med att transistorerna blivit allt mer mikroskopiska har kostnaden för att utveckla och tillverka nästa generations processorer ökat. När giganterna nu förbereder sig för att tillverka kretsar i storleksordningen 2 nanometer finns egentligen bara tre stora spelare med i matchen: amerikanska Intel, taiwanesiska TSMC och sydkoreanska Samsung. 

Men det nystartade Lundabolaget Alixlabs har utvecklat en teknik som både kan sänka kostnaderna och minska storleken på kretsarna. Två saker som halvledarbranschen skriker efter. 

– Vår förhoppning är att kunna erbjuda en process som drar mindre ström, kostar mindre pengar, förbrukar mindre vatten och ger lägre växthusgasutsläpp, säger bolagets medgrundare och vd Jonas Sundqvist.

#64 – Elektronikexperten: Därför pratar alla om halvledare just nu 

Ett experiment som gick snett

Bolaget startades för knappt två år sedan, men arbetet med innovationen går att spåra tillbaka till ett misslyckat experiment i renrumslabbet på Lunds universitet 2015.  

Vid universitet har forskare odlat nanotrådar i flera decennier, ett material som pekats ut som möjligt att använda som halvledare i framtida processorer. Nanotrådar har med åren gått att växa i allt mindre format, men någonstans kring 50 nanometer tog utvecklingen stopp.  

Runt 2015 började en grupp forskare jobba med att hyvla ner dessa till ännu mindre storlekar. Tanken var att använda en teknik som kallas för atom layer etching, där man som namnet antyder använder en kemisk process för att etsa bort ett atomlager i taget från nanotrådarna.  

Teorin var att om nanotrådarna kunde reduceras till en storlek på runt 20 nanometer, skulle de kunna utgöra ett intressant alternativ för att bygga halvledare.  

– Vi satte igång etsningsprocessen, men blev lite sura över resultatet, berättar Jonas Sunqvist, som vid tidpunkten var chef för nanolabbet vid Lunds universitet.  

– Det som kom ut såg ut som stenålderskanoter som man hackar ur en trädstam. Det visade sig att vi splittat nanotrådarna i hälften i stället för att avlägsna ett atomlager per cykel, och vi förstod inte riktigt vad som hänt.  

Men det misslyckade experimentet kan mycket väl visa sig vara en jackpotvinst, för snart hade forskarna tänkt ut en tillämpning. 

– Vi kan splitta trådarna, alltså kan vi ta en transistorkanal och göra den till två. Det är vad hela racet går ut på, att trycka in så många transistorer per kvadratcentimeter som möjligt. Om vi kan lyckas med det har vi enorma möjligheter, säger Jonas Sundqvist. 

Forskarna bakom experimentet började smida planer, och snickrade ihop en patentansökan som skickades in till det amerikanska patentverket. Sedan var det bara att börja skissa på affärsplaner i väntan på startsignalen. 

Den kom för två år sedan när två genombrott lade grunderna för Alixlabs. Det första var att patentansökan blev godkänd. Det andra var att IBM lyckades återskapa resultatet från labbet i Lund på en kiselskiva, en så kallad wafer.  

Tiden var redo att göra verklighet av idén. 

Läs mer: RISC-V: ”Öppet kisel standard i processorer inom tio år”

Så fungerar tekniken 

En nanostruktur som delats med hjälp av Alixlabs teknik. Foto: Dmitry Suyatin

Atom layer etching, som är grunden i Alixlabs teknik, går ut på att gröpa ur ett material en atom i taget. Det kräver enorm precision, men merparten av utrustningen som krävs finns redan i produktionskedjan hos halvledartillverkarna. Därför menar bolaget att det skulle gå relativt enkelt för jättarna att implementera deras lösning. Tekniken fungerar både på kisel och på andra halvledare som galliumnitrid.  

Etsningen börjar genom att belysa en wafer rakt ovanifrån med argonplasma. Plasman aktiverar alla horisontella ytor på plattan, medan vertikala eller lutande ytor lämnas orörda. 

Därefter släpper bolaget in klorgas i kammaren. Gasen reagerar med kiselytan som aktiverats av argonplasman och bildar kiselklorid. Kammaren töms sedan på gas och argonplasma appliceras på nytt, och nu bildas kiselkloridmolekyler. Dessa är mycket volatila, och avdunstar snabbt från ytan. Vips så har ett atomlager kisel avlägsnats.  

Sedan upprepas proceduren i cykler tills önskat antal atomlager har etsats bort. 

– Det är en i halvledarsammanhang relativt snabb process, där vi kan köra uppemot en cykel i sekunden på produktionsutrustning. Grovt räknat kanske det handlar om att köra ett 50-tal cykler per wafer, säger Jonas Sundqvist.

Alixlabs kallar lösningen för atomic layer etch pitchsplitting, APS.

Genom att klyva kretsarna kan Alixlab på sätt och vis surfa på teknikutvecklingens våg. Så fort en halvledartillverkare uppnått en ny nivå av miniatyrisering, kan bolaget ta den ett kliv till.  

– Allt någon annan kan göra på ett komplicerat sätt kan vi kapa i hälften, och göra det billigt och enkelt. Om någon tillverkar ett 14-nanometerschip, kan vi göra det till ett 7-nanometerschip, säger Jonas Sundqvist. 

– Vi brukar skoja om att vi kan fortsätta ända tills kretsarna bara är tre atomer breda. Då kan vi ta bort den i mitten. Det är först då det tar stopp.

Läs mer: Genombrott för 1 nm-chip – men TSMC tonar ner framstegen

”Kan finnas i Iphone 15”

Just nu pågår racet mot transistorer på tekniknoden 2 nanometer. De tre jättarna Intel, Samsung och TSMC kommer att inleda tillverkning i mindre skala under 2024 och 2025.  

För Alixlabs är det den första riktiga chansen att komma in på marknaden, när storföretagen lägger om sina produktionslinor finns det en öppning för nya tekniklösningar.  

– I det absolut bästa scenariot kan vår teknik finnas med i tillverkningen av Iphone 15 eller 16, säger Jonas Sundqvist.  

Bolaget har nyligen tagit in nio miljoner kronor i startkapital från bland annat Almi Invest. Investeringen ska bland annat gå till att verifiera tekniken på den typ av utrustning som används i halvledarproduktion.  

– Vi måste visa att tekniken fungerar på 300 millimeters-wafers, för det är vad våra tilltänkta kunder använder. Vi vill bevisa för Intel, Samsung och TSMC att det här fungerar, säger Jonas Sundqvist. 

Enligt Alixlab kan bolagets teknik användas för att ersätta flera av de produktionssteg som ingår i dagens halvledartillverkning. Dessutom till betydligt lägre kostnad och energiförbrukning. Deras teknik uppges sänka tillverkningskostnaden på mellan 35 och 45 procent på enskilda produktionsmoment. 

Läs mer: Så ska Teslas superdator Dojo göra bilarna självkörande

Samtidigt som blickarna riktas mot de tre stora halvledartillverkarnas jakt på allt mindre kretsar, finns en annan, stor grupp som kan ha nytta av Alixlabs teknik.  

En lång rad mindre halvledarföretag har tvingats stå och stampa vid större tekniknoder. För att komma ner på 7 nanometers-kretsar krävs maskiner som etsar med extremt ultraviolett ljus (EUV), och kostar ofantliga summor. 

– Det är i princip bara Intel, Samsung och TSMC som har råd med dem. En enda EUV-maskin kostar runt 150 miljoner dollar, säger Jonas Sundqvist. 

Det är uppemot dubbla priset jämfört med en maskin för immersionslitografi, den teknik som användes ner till 5 nanometer. Det finns alltså en rad mindre företag, inte minst i Europa, som fortsätter att tillverka sina kretsar på tekniknoder ner till 7 eller 10 nanometer. 

– Vi kan göra det möjligt för dem att ta nästa steg, säger Jonas Sundqvist 

Alixlabs:  

Gör: Utvecklar teknik för att dela på halvledare.  

Grundare: Jonas Sundqvist, Dmitry Suyatin, Stefan Svedberg 

Ort: Lund. 

Startår: 2019. 

Anställda: 5. 

Riskkapital totalt: 9 miljoner kronor. 

Simon Campanello

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt