Student World

Japonští výzkumníci ověřili v praxi postup pro výrobu čipů z nové křemíkové sloučeniny. Ta je již od 50. let minulého století známa svými podstatně lepšími vlastnostmi než samotný křemík, avšak jejímu použití dosud bránily problémy při výrobě.
Křemík si za svoji více než půlstoletou životní dráhu dokázal v počítačovém průmyslu získat prakticky stejně zásadní pozici jako benzín v průmyslu automobilovém. Možnosti křemíku však nyní přestávají stále rychlejšímu vývoji menších a integrovanějších čipů stačit. Vývojáři již delší dobu testují nové materiály i principy, na nichž by čipy budoucnosti měly fungovat, avšak ještě několik let se bezpochyby křemík pro výrobu čipů bude používat.
Problémem přitom není jen výkonový strop, daný velikostí tranzistorových hradel. Ta se podle očekávání Intelu stanou nejpozději za 15 let osudovou překážkou pro platnost Moorova zákona. Při pokračující miniaturizaci tranzistorů (která kromě snížení ceny znamená i kratší dráhy elektronů a tím i rychlejší čipy) se totiž v oné předpokládané době kolem roku 2019 bude pro jejich výrobu používat 16nanometrová technologie, při které bude mít hradlo velikost 5 nanometrů – a přestane být schopné řídit směr pohybu elektronů. Výzkumníci mnoha firem i univerzit se proto snaží najít nové materiály i postupy, které by pomohly tuto překážku v budoucnu obejít.
To jsou poměrně zásadní – a až notoricky opakované – problémy, dané samotnou architekturou současných čipů. Čím dál viditelnějšími nevýhodami však trpí i samotný křemík, ze kterého se dnes čipy lisují. Přes své nepopiratelné přednosti pro výrobu a elektrickou vodivost spočívá jeho výrazná nevýhoda ve velmi nízké tepelné odolnosti. Křemíkové čipy jsou citlivé na teplo, generované svými vlastními obvody, a musejí být proto chlazeny – nejčastěji vzduchem, tedy podobně, jako to dělají známé větráčky na procesorech; v poslední době však i ve výkonnějších osobních počítačích přichází ke slovu voda.
Procesory totiž generují čím dál více tepla, a to má za následek problémy s jeho odváděním. Větráčky při vysokých otáčkách způsobují nepříjemný hluk a navíc ani mnohdy procesor účinně neochladí. Ještě podstatně náročnější oblastí jsou z tohoto pohledu různé vědecké aplikace elektroniky, kdy se teplu prakticky nedá vyhnout – příkladem může být třeba kosmonautika, kde navíc vyvstává problém s odstíněním radioaktivity.
Výše popsané potíže by mohl vyřešit objev japonských výzkumníků z vývojových laboratoří firem Toyota a Denso Corporation. Podle serveru Nature.com se jim podařilo překonat potíže při výrobě křemíkové sloučeniny (karbidu křemíku, SiC), která je mnohem odolnější vůči teplotním vlivům. Splnili přitom klíčový požadavek pro masovou výrobu, jímž je snadné zhotovení waferu (křemíkového plátu), ze kterého se čipy lisují.
Při použití čistého křemíku (tak, jak se čipy vyrábějí dnes) jsou obvody lisovány z těchto waferů a poté je na ně nanášena vrstva chemikálií, které mají zlepšit elektrickou vodivost čipů. Při stejném postupu s křemíkovým karbidem, o který se vědci pokoušeli již v 70. letech minulého století, však získané wafery trpěly nízkou kvalitou. Na vině byly především mikroskopické trhliny, které celkově snižovaly pevnost obvodů, jež poté v provozu selhávaly.
Tým Kazumasa Takatoriho z japonské Toyoty však přišel s řešením v podobě usměrňování krystalů karbidu křemíku tak, aby tuhnoucí sloučenina krystalizovala na optimálních straně s minimem poruch. Vědci takto pečlivě "vystavěli" krystal vrstvu po vrstvě, což jim umožnilo vytvořit slitek křemíkové sloučeniny – malé cihličky, z nichž se lisují wafery.
Předchozí výzkumy přitom prokázaly, že elektronická zařízení, zhotovená z této sloučeniny, jsou bez potřeby chlazení schopna provozu při teplotě až 650 °C. Výsledky výzkumu by tak mohly znamenat převrat v elektroprůmyslu i počítačových sestavách nejen náročných uživatelů.

Karbid křemíku

Chemické složení: SiC
Chemické vlastnosti: Je inertní vůči vlhkosti a stálý v oxidační atmosféře dokonce i za vysokých teplot.
Vodivost: Polovodič
Použití: Jako brusivo (pod názvem Karborundum; karbid křemíku se totiž svou tvrdostí blíží diamantu), při výrobě keramiky či v práškové metalurgii (legování litin a ocelí), mechanické ucpávky v čerpadlech či elektromotorech
Dodavatelé: Výrobcem a zpracovatelem karbidu křemíku ve střední Evropě je např. společnosti Best Business (http://www.bestb.cz/sic/sic1.htm).
Co číst dál: Článek na serveru Osel.cz (http://www.osel.cz/index.php?clanek=821) popisuje uplatnění karbidu křemíku i v nanotechnologiích při výrobě tzv. nanokvětin.

autor Aleš Miklík