Foto: © makaule / Dollar Photo Club

Elektronové mikroskopy pomáhají vyvíjet energeticky úsporné čipy

Prozkoumat nové materiály k výrobě čipů i umožnit jejich analýzu přímo ve výrobním prostředí – takovými úkoly se zabývají dva vědecké týmy z #brnoregion – z firmy Thermo Fisher Scientific a z Vysokého učení technického v Brně. Klíčovou roli v jejich snažení hrají elektronové mikroskopy. Díky nim se v rámci tříletého evropského projektu ALL2GaN můžeme dočkat řešení, které má enormní potenciál úspory energie, a tím zmírnění klimatické krize snížením emisí CO2. Vyvíjené čipy z nitridu galia totiž najdou uplatnění v široké škále aplikací včetně telekomunikací či e-mobility.

Čipy pro solární články i nabíječky elektromobilů
Čipy na bázi nitridu galia poskytují více energie na malém prostoru a vysoce efektivně energii přeměňují. Díky tomu přímo přispívají k úsporám a špičkovým inovacím v oblasti zelených technologií. V široké škále aplikací, do kterých v rámci projektu budou směřovat, mají potenciál ušetřit celosvětově až 218 milionů tun CO2 za rok.

„V Česku obecně býváme vůči zelené energii dost skeptičtí. V případě aplikace všech typů čipů, na jejichž vývoji se v rámci projektu podílíme, se ale ušetří řádově šestina roční celosvětové výroby elektrické energie z jaderných elektráren. Pro Thermo Fisher Scientific je takové zaměření klíčové. Udržitelný design je nejen přímo technickým parametrem našich zařízení, ale zapojujeme se i do vývoje řešení, která k udržitelnosti významně přispívají, jako v případě projektu All2GaN,“ popisuje Tomáš Vystavěl z  vývojového týmu předního světového výrobce elektronových mikroskopů.

Z  nové generace tzv. GaN čipů budou těžit telekomunikace, datová centra a serverové farmy, stejně jako e-mobilita, obnovitelné zdroje energie a vysoce účinná řešení inteligentních sítí.

„Ač je nitrid galia dlouho studovaný materiál, stále existuje mnoho otázek a technologických problémů, jejichž vyřešení umožní výrobu pokročilých čipů s atraktivní cenou. Cílem je nové znalosti zužitkovat v součástkách, které zásadním způsobem změní trh s výkonovou elektronikou – plánovány jsou účinnější měniče napětí, elektronika v zařízeních pro konverzi energie, jako jsou solární články, anebo výkonná bezdrátová nabíječka pro elektromobily,“ přibližuje cíle projektu Miroslav Kolíbal z  Fakulty strojního inženýrství a CEITEC Vysoké učení technické v  Brně.

Zkoumání dislokací pomocí elektronových mikroskopů
Cesta k aplikaci těchto pokročilých čipů do výkonové elektroniky začíná u materiálového výzkumu. „Podílíme se na analýze a vývoji substrátů z nitridu galia pro výrobu čipů. Materiál obsahuje dislokace – čárové poruchy krystalové mříže, což může způsobit, že čip funguje jinak, než jak byl navržen. Přispíváme tak tomu, aby výrobci čipů mohli pracovat se substráty s minimálním počtem dislokací,“ popisuje Tomáš Vystavěl zapojení vývojového týmu firmy Thermo Fisher Scientific.

Ve vývoji čipů hrají zásadní roli zařízení umožňující v některých případech rozlišení až na úrovni atomů. „V Brně vyvíjíme mikroskopy, díky kterým jsme schopni pozorovat a kvantifikovat možné defekty čipu, a to bez poškození, což je velká přidaná hodnota. Tato tzv. nedestruktivní charakterizace se provádí díky unikátním technikám rastrovacího elektronového mikroskopu,“vysvětluje.

Další fáze výzkumu spočívá v přípravě tenkého vzorku, který se následně pozoruje v transmisním elektronovém mikroskopu a vede například k odhalení příčin selhání čipu. „Tady spolupracujeme s kolegy z VUT, kteří jsou odborníky na fyziku defektů a zjišťují, jak mohou ovlivnit vlastnosti zařízení,“ zmiňuje Vystavěl úzké propojení na výzkumný tým Miroslava Kolíbala.

„Výzkum Thermo Fisher Scientific budeme podporovat komplementárními pokročilými analytickými technikami. V tomto ohledu je pro nás klíčová infrastruktura výzkumného centra CEITEC Nano,“ říká Miroslav Kolíbal, který se zabývá fyzikou materiálů, nanotechnologiemi a ve výzkumné činnosti v těchto oblastech využívá intenzivně právě elektronové mikroskopy vyrobené v Brně.

„V projektu se, stejně jako Thermo Fisher Scientific, zaměřujeme na dislokace, což je v řeči fyziků čárová porucha v pravidelném uspořádání atomů v krystalu. Jedním z výzkumných úkolů je pozorování pohybu dislokací v GaN materiálu pomocí transmisního elektronového mikroskopu. A ve spolupráci s dalšími industriálními partnery se budeme podílet na použití vybraných analytických technik ve výrobním prostředí,“ shrnuje Kolíbal zapojení do ALL2GaN.

„Máme už metodologii, jak defekty pozorovat, ale s potřebou velmi zkušeného operátora. Je to jako dodávat Formuli 1 s tím nejlepším pilotem. Naším úkolem je ale ověřit, že dnes manuální metody jsme schopni nastavit a automatizovat přímo při výrobě,“ přibližuje Vystavěl tuto část projektu All2GaN, ve které hrají brněnští odborníci stěžejní roli.

Uznávaní odborníci z Brna
Oba brněnské týmy se mezi celkem 45 partnerů projektu z 12 evropských zemí nedostali náhodou, ale jsou v oblasti polovodičového průmyslu etablovaní. Už v minulosti odborníci z Thermo Fisher Scientific úspěšně řešili projekty spojené s charakterizací defektů krystalové mřížky s výrobci napojenými např. na IMEC v Belgii.

I na VUT je vývoj detekčních technik pro analýzu povrchů a pevných látek ukotven historicky – výzkumná skupina profesora Tomáše Šikoly se podílela např. na úspěšném vývoji mikroskopu UHV SEM ve spolupráci s firmou Tescan, z výzkumné skupiny také vzešel spin-off NenoVision. „Konkrétně i s nitridem galia jsme pracovali už dříve v rámci spolupráce s onsemi, takže v základním výzkumu orientovaném na tento materiál máme zkušenosti,“ říká Miroslav Kolíbal.

Zapojení do projektu All2GaN tak jen potvrzuje špičkový výzkum v regionu propojující elektronovou mikroskopii a polovodičový průmysl. Ten může mít podle docenta z Ústavu fyzikálního inženýrství strojní fakulty VUT v Brně do budoucna ještě větší přesah: „Těší nás, že výrazným rysem projektu je umístění celé výroby v Evropě. V souladu s aktuální aktivitou tzv. Chips Act může pomoci kontinentu ustavit vedoucí pozici v konkrétním segmentu polovodičového průmyslu, výkonové elektronice, kde je to narozdíl od logických obvodů v procesorech realistické.“

tisková zpráva JIC/CEITEC

autor: Jana Pokorná, brnoregion.com

Na opravu dlažby kostela na Zelené hoře použili unikátní geopolymerní technologii

Opravené dlaždice jsou nyní v barvě i struktuře velmi podobné originálu. Vědci z Ústavu struktury …

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Používáme soubory cookies pro přizpůsobení obsahu webu a sledování návštěvnosti. Data o používání webu sdílíme s našimi partnery pro cílení reklamy a analýzu návštěvnosti. Více informací

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close