成功開(kāi)發(fā)出芯片絕緣新技術(shù)，將采用金屬有機(jī)框架材料制成

據(jù)比利時(shí)魯汶大學(xué)官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，該校與比利時(shí)微電子研究中心的研究人員們成功開(kāi)發(fā)出一項(xiàng)芯片絕緣新技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)采用了由結(jié)構(gòu)化的納米孔組成的金屬有機(jī)框架材料。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這種方法可用于開(kāi)發(fā)尺寸更小、性能更強(qiáng)、能耗更低的芯片。比利時(shí)魯汶大學(xué)微生物和分子系統(tǒng)系教授 Rob Ameloot 領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究表明，一項(xiàng)新技術(shù)將會(huì)提供解決方案。他表示：“我們將金屬有機(jī)框架（MOF）用作絕緣物質(zhì)。這些材料由金屬離子和有機(jī)分子組成。它們?cè)谝黄鹦纬闪艘环N堅(jiān)固的多孔晶體。”

如今，計(jì)算機(jī)芯片正越變?cè)叫?。然而，這并不是什么新鮮事，早在1965年，芯片制造商英特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）就作出了這一預(yù)測(cè)。摩爾定律指出，芯片（或者說(shuō)集成電路）上的晶體管數(shù)目，每隔兩年就會(huì)增加一倍。后來(lái)，這個(gè)預(yù)測(cè)中的時(shí)間間隔被調(diào)整為18個(gè)月，但理論仍然成立。芯片越變?cè)叫?，但其處理能力卻越變?cè)綇?qiáng)。如今，一顆芯片可以容納逾十億個(gè)晶體管。

可是，尺寸持續(xù)縮小也帶來(lái)了許多障礙。開(kāi)關(guān)和電線如此緊密地封裝在一起，會(huì)產(chǎn)生更多的電阻，使得芯片發(fā)送信號(hào)的能耗更高。為了設(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)行良好的芯片，你需要用絕緣物質(zhì)將這些線相互分開(kāi)，確保電信號(hào)不會(huì)受到干擾。然而，在納米尺度上，這并不是一項(xiàng)容易完成的任務(wù)。

金屬有機(jī)框架，是由有機(jī)配體和金屬離子或團(tuán)簇，通過(guò)配位鍵自組裝形成的具有分子內(nèi)孔隙的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化材料。

MOF 是一種多功能的多孔納米材料，可用于存儲(chǔ)、分離、釋放、保護(hù)幾乎所有的東西。它具有以下重要特性：多孔、表面積大、結(jié)構(gòu)和功能多樣性、不飽和金屬位點(diǎn)。這些特性使之具有強(qiáng)大的吸附功能和催化功能。

下圖為某種MOF的原理圖。圖中線條是有機(jī)連接橋，交叉點(diǎn)是金屬離子。黃球代表孔隙空間，可充滿液體或氣體。

MOF 有望成為定義21世紀(jì)的新材料。它非常適合感知與捕捉微量濃度的物質(zhì)，凈化水或空氣，或者用于存儲(chǔ)大量能量，制造性能更佳的電池以及能量存儲(chǔ)器件。

史上首次，比利時(shí)魯汶大學(xué)與比利時(shí)微電子研究中心將 MOF 絕緣應(yīng)用于電子材料。

魯汶大學(xué)微生物與分子系統(tǒng)系博士后研究員 Mikhail Krishtab 表示，他們?cè)谶@項(xiàng)技術(shù)中采用了一種稱為“化學(xué)氣相沉積”的工業(yè)方法。他說(shuō)：“首先，我們將氧化物薄膜放置到表面上。然后，我們讓它與有機(jī)材料的蒸汽起反應(yīng)。這種反應(yīng)使得材料膨脹，形成納米多孔晶體。”

Krishtab 表示：“這種方法的主要優(yōu)勢(shì)就是它的自下而上。我們首先沉積了氧化物薄膜，然后它膨脹到非常多孔的金屬有機(jī)框架材料上。你可以將它比作蛋奶酥；它在烤箱里膨脹然后變得非常輕。金屬有機(jī)框架材料形成了一種多孔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)充滿了導(dǎo)體之間的所有間隙。這就是絕緣完整且均勻的原因。其他自上而下的方法，總是會(huì)有在絕緣中存在小間隙的風(fēng)險(xiǎn)?！?/p>

下圖所示，體積膨脹伴隨著氧化物向 MOF 轉(zhuǎn)變的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了納米溝槽的無(wú)縫填充。

Ameloot 教授的研究小組收到了歐洲研究委員會(huì)概念驗(yàn)證經(jīng)費(fèi)，與 Silvia Armini（他來(lái)自比利時(shí)微電子研究中心團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)致力于為納米芯片開(kāi)發(fā)先進(jìn)介電材料。）合作進(jìn)一步開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。Ameloot 教授表示：“在比利時(shí)微電子研究中心，我們擁有專業(yè)知識(shí)來(lái)開(kāi)發(fā)基于晶圓的方案，將這些技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)展到量產(chǎn)，為微電子工業(yè)實(shí)現(xiàn)一種可制造的解決方案。”

Ameloot 繼續(xù)表示：“我們已經(jīng)展示了金屬有機(jī)材料具有正確的特性?，F(xiàn)在，我們就必須進(jìn)行精加工。目前，晶體表面仍然不平整。我們必須使之變光滑，從而將這種材料集成到芯片中。”

這項(xiàng)技術(shù)一旦得以完善，就可用于制造尺寸小、性能強(qiáng)、功耗低的芯片。Ameloot 表示：“各種各樣的人工智能應(yīng)用需要許多的處理能力，例如無(wú)人駕駛汽車與智慧城市。技術(shù)公司一直在尋找既快速又節(jié)能的新解決方案。我們的研究將對(duì)新一代芯片作出寶貴的貢獻(xiàn)。”