Isotopenreines Silizium für kühlere Chips
Das US-Unternehmen Isonics kooperiert mit AMD bei der Erforschung von reinem Silizium-28 in der Chipproduktion. Derart isotopenreines Silizium leitet Wärme um bis zu 60 Prozent besser als das natürliche Isotopengemisch.
Das US-Unternehmen Isonics kooperiert mit AMD bei der Erforschung von reinem Silizium-28 in der Chipproduktion. Derart isotopenreines Silizium leitet Wärme um bis zu 60 Prozent besser als gewöhnliche Si-Wafer, die aus dem natürlich vorkommenden Isotopengemisch bestehen: etwa 92 Prozent Silizium 28, fünf Prozent Silizium 29 und drei Prozent Silizium 30.
Durch die bessere Wärmeleitung fließt die Verlustleistung der auf dem Wafer befindlichen Tranisistoren schneller ab; ein solcher Halbleiterchip bleibt im Betrieb kühler. Es lassen sich also aus 28Si Prozessoren mit geringeren Anforderungen an die Kühlung oder noch leistungsfähigere Chips backen.
Das thermisch bessere Verhalten isotopenreiner Kristalle ist auch von anderen Elementen bekannt, etwa Kohlenstoff. Das Problem an der 28Si-Technik ist, genügend Material zur Herstellung von Wafern zu beschaffen. Bislang liefert Isonics lediglich Wafer, die eine dünne Schicht aus zu 99 Prozent isotopenreinem Silizium 28 tragen (Epitaxial-Wafer). Diese Schicht wird aus einer gasförmigem Siliziumverbindung (Trichlorsilan) auf den Träger-Wafer abgeschieden. Die fertigen 28Si-Epitaxial-Wafer eigenen sich für Forschungszwecke, doch da bei heutigen Flip-Chip-Prozessoren die Kühlung durch den Wafer hindurch erfolgt, sind die thermischen Vorteile in der Praxis gering.
Der Weg zum ersten, vollständig aus isotopenreinem 28Si bestehenden 200-mm-Wafer scheint noch relativ weit zu sein. Bereits im Dezember 2000 sollte Eagle Picher 200 Kilogramm istopenreines Trichlorsilangas an Isonics liefern. Daraus wollte man einen Einkristall züchten, aus dem man dann die für die Chipproduktion nötigen Wafer schneidet. Nach Angaben von Isonics kann Eagle Picher jedoch nicht liefern, weshalb man nun mit der Russischen Akademie der Wissenschaften zusammenarbeitet. "In den nächsten Wochen" sollen erste Produktmuster eintreffen; wenn diese sich als geeignet erweisen, will Isonics mit den russischen Forschern einen Zuliefervertrag schließen.
Die Technik zur Abscheidung der ungewünschten Isotope 29Si und 30Si ist aus der Urananreicherung bekannt. Auch für die Herstellung von Brennstäben für Atomkraftwerke und für waffentaugliches Uran benötigt man reine Isotope. Russland und die USA beherrschen die Schlüsseltechnik Anreicherung natürlich. Doch auch Australien, einer der wichtigsten Lieferanten des Uran-Vorproduktes "Yellow Cake", betreibt Anreicherungsanlagen. Das australische Unternehmen Silex besitzt die Lizenz für ein in Japan entwickeltes Anreicherungsverfahren, das mit Laserlicht arbeitet. Damit soll sich die Isotopentrennung wesentlich preiswerter durchführen lassen. Nach eigenen Angaben arbeiten Silex und Isonics beim Silizium 28 zusammen. Letzten Monat hat das US-Energieministerium (DOE) allerdings das Silex-Verfahren für Uran zur Verschlusssache erklärt.
Doch selbst wenn die Bereitstellung von genügend isotopenreinem Silizium gelänge, ist der Erfolg der neuen Wafer ungewiss. Manche Fachleute halten die Vorteile von 28Si für zu gering, weil die Wärmeleitfähigkeit nur bei Raumtemperatur 60 Prozent besser ist; bei 100 °C beträgt der Vorteil im Vergleich zu natürlich vorkommendem Silizium nur noch 40 Prozent. Schon heute seien Verbesserungen an den Wafern möglich, die wegen der Zusatzkosten aber nicht zum Einsatz kämen. Der Preis für isotopenreine Wafer werde so hoch sein, dass sich auf diesen nur Spezialprodukte wirtschaftlich fertigen ließen.
Kürzlich stellte IBM ein Verfahren vor, mit dem sich Siliziumkristallschichten strecken lassen; das führt zu höherer Beweglichkeit der Ladungsträger. (ciw)
