新绝缘技术：为更小更强的新一代芯片铺路！
据比利时鲁汶大学官网近日报道，该校与比利时微电子研究中心的研究人员们成功开发出一项芯片绝缘新技术。这项技术采用了由结构化的纳米孔组成的金属有机框架材料。从长远来看，这种方法可用于开发尺寸更小、性能更强、能耗更低的芯片。
背景
如今，计算机芯片正越变越小。然而，这并不是什么新鲜事，早在1965年，芯片制造商英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）就作出了这一预测。摩尔定律指出，芯片（或者说集成电路）上的晶体管数目，每隔两年就会增加一倍。后来，这个预测中的时间间隔被调整为18个月，但理论仍然成立。芯片越变越小，但其处理能力却越变越强。如今，一颗芯片可以容纳逾十亿个晶体管。
摩尔定律-集成电路芯片上晶体管数量（1976-2016）（图片来源：维基百科）
可是，尺寸持续缩小也带来了许多障碍。开关和电线如此紧密地封装在一起，会产生更多的电阻，使得芯片发送信号的能耗更高。为了设计一个运行良好的芯片，你需要用绝缘物质将这些线相互分开，确保电信号不会受到干扰。然而，在纳米尺度上，这并不是一项容易完成的任务。
创新
近日，比利时鲁汶大学微生物和分子系统系教授 Rob Ameloot 领导的一项研究表明，一项新技术将会提供解决方案。他表示：“我们将金属有机框架（MOF）用作绝缘物质。这些材料由金属离子和有机分子组成。它们在一起形成了一种坚固的多孔晶体。”
技术
金属有机框架，是由有机配体和金属离子或团簇，通过配位键自组装形成的具有分子内孔隙的有机-无机杂化材料。
MOF的分子结构（图片来源：Tony Boehle Wikimedia）
MOF 是一种多功能的多孔纳米材料，可用于存储、分离、释放、保护几乎所有的东西。它具有以下重要特性：多孔、表面积大、结构和功能多样性、不饱和金属位点。这些特性使之具有强大的吸附功能和催化功能。
某种MOF的原理图。图中线条是有机连接桥，交叉点是金属离子。黄球代表孔隙空间，可充满液体或气体。（图片来源：伯克利实验室）
MOF 有望成为定义21世纪的新材料。它非常适合感知与捕捉微量浓度的物质，净化水或空气，或者用于存储大量能量，制造性能更佳的电池以及能量存储器件。
由MOF材料做成的水分采集装置（图片来源：Hyunho Kim/麻省理工学院）
史上首次，比利时鲁汶大学与比利时微电子研究中心将 MOF 绝缘应用于电子材料。
鲁汶大学微生物与分子系统系博士后研究员 Mikhail Krishtab 表示，他们在这项技术中采用了一种称为“化学气相沉积”的工业方法。他说：“首先，我们将氧化物薄膜放置到表面上。然后，我们让它与有机材料的蒸汽起反应。这种反应使得材料膨胀，形成纳米多孔晶体。”
Krishtab 表示：“这种方法的主要优势就是它的自下而上。我们首先沉积了氧化物薄膜，然后它膨胀到非常多孔的金属有机框架材料上。你可以将它比作蛋奶酥；它在烤箱里膨胀然后变得非常轻。金属有机框架材料形成了一种多孔结构，该结构充满了导体之间的所有间隙。这就是绝缘完整且均匀的原因。其他自上而下的方法，总是会有在绝缘中存在小间隙的风险。”
体积膨胀伴随着氧化物向 MOF 转变的过程，实现了纳米沟槽的无缝填充。（图片来源：Ameloot 研究小组）
价值
Ameloot 教授的研究小组收到了欧洲研究委员会概念验证经费，与 Silvia Armini（他来自比利时微电子研究中心团队，该团队致力于为纳米芯片开发先进介电材料。）合作进一步开发这项技术。Ameloot 教授表示：“在比利时微电子研究中心，我们拥有专业知识来开发基于晶圆的方案，将这些技术从实验室扩展到量产，为微电子工业实现一种可制造的解决方案。”
这项技术一旦得以完善，就可用于制造尺寸小、性能强、功耗低的芯片。Ameloot 表示：“各种各样的人工智能应用需要许多的处理能力，例如无人驾驶汽车与智慧城市。技术公司一直在寻找既快速又节能的新解决方案。我们的研究将对新一代芯片作出宝贵的贡献。”
参考资料
【1】Mikhail Krishtab, Ivo Stassen, Timothée Stassin, Alexander John Cruz, Oguzhan Orkut Okudur, Silvia Armini, Chris Wilson, Stefan De Gendt, Rob Ameloot. Vapor-deposited zeolitic imidazolate frameworks as gap-filling ultra-low-k dielectrics. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-11703-x
【2】https://nieuws.kuleuven.be/en/content/2019/new-insulation-technique-paves-the-way-for-more-powerful-and-smaller-chips
了解更多前沿技术，请点击“阅读原文”。