Çip bağlantıları için atom kalınlığında karbon film geliştirildi

Singapur Ulusal Üniversitesi (NUS) Tasarım ve Mühendislik Fakültesi ile Fen Fakültesi araştırmacıları, modern mikroçiplerin performansını sınırlayan ara bağlantı sorununa yönelik ultra ince bir malzeme geliştirdi. Prof. Dr. Barbaros Özyılmaz liderliğindeki ekip, çip içindeki bakır bağlantıları yalıtmak için yalnızca 0,8 nanometre kalınlığında amorf karbon film üretti. Hem yalıtkan hem de koruyucu bariyer işlevi gören malzemenin, veri iletiminde karşılaşılan direnç ve parazit sorunlarını azaltarak enerji verimliliğini artırması hedefleniyor. Çalışma *Nature Electronics* dergisinde yayımlandı.

VERİ DARBOĞAZI

Mikroçipler küçüldükçe, veri aktarımını sağlayan mikroskobik bakır hatların daralması elektriksel direnci artırıyor; hatlar arasındaki mesafenin azalması ise komşu sinyaller arasındaki paraziti yükseltiyor. Sorun, özellikle yüksek miktarda veri işleyen yapay zeka işlemcilerinde daha belirgin hale geliyor. Çip üreticileri bu etkiyi azaltmak için bugün iki ayrı malzemeden yararlanıyor: Sinyal parazitini sınırlayan dielektrik yalıtım katmanı ve bakırın çevredeki malzemelere yayılmasını önleyen tantal nitrür bariyer. Ancak iki ayrı katmanın kullanılması, zaten sınırlı olan çip alanında bakır hatlara ayrılabilecek bölümü daraltıyor. NUS ekibinin geliştirdiği amorf karbon film ise iki görevi aynı katmanda birleştirerek bakır bağlantılar için daha fazla alan bırakmayı amaçlıyor.

DÜŞÜK K DEĞERİ

Bir malzemenin elektrik alanına verdiği tepkiyi gösteren dielektrik sabitinin, yani k değerinin düşük olması komşu sinyaller arasındaki istenmeyen etkileşimin azaltılmasında önem taşıyor. Endüstri yol haritalarında 10 nanometrenin altındaki ara bağlantılar için k değerinin 2’nin altında olması öngörülürken, NUS’un amorf karbon filmi 0,8 ile 2,7 nanometre arasındaki kalınlıklarda yaklaşık 1,35’lik k değerini korudu. Araştırmanın ortak yazarlarından Dr. Toh Chee Tat, filmde atomların düzenli bir yapı yerine rastgele dizilmesinin elektronların elektrik alanına verebildiği tepkiyi sınırladığını ve bu sayede film çok inceldiğinde dahi düşük k değerinin korunabildiğini belirtti.

YÜKSEK DAYANIM

Malzemenin performansı yalnızca yalıtım özelliğiyle sınırlı kalmadı. Hızlandırılmış testlerde 0,8 nanometre kalınlığındaki karbon film, bakır iyonlarının içinden geçmesini engelledi. Tipik çalışma elektrik alanındaki öngörülen arıza süresi, 10 yıllık hizmet ömrüne ilişkin endüstri standardını aşarken tantal nitrür için hesaplanan sürenin 100 katından daha yüksek çıktı. Yaklaşık 100 gigapaskal sertliğe sahip olan malzeme, silikon dioksitin sertliğinin en az 10 katına ulaştı. Film ayrıca yalıtım özelliğini kaybetmeden önce santimetre başına 28-31 megavoltluk elektrik alanına dayanabildi.

ÜRETİME UYUM

Araştırmacılar amorf karbon filmi, 300 santigrat derecenin altında gerçekleştirilen kimyasal buhar biriktirme yöntemiyle üretti. Malzeme bakır, kobalt ve silikon dioksit yüzeyler üzerine uygulanırken, desenli yapıların yan duvarları ve köşelerinde de düzgün kaplama elde edildi. Ekip, geliştirdiği teknolojiye ilişkin fikri mülkiyet haklarını da koruma altına aldı. Çalışmanın bir sonraki aşaması, laboratuvar ortamında elde edilen sonuçların yarı iletken üretim süreçlerine aktarılmasına odaklanıyor.

TSMC İŞBİRLİĞİ

NUS, Nisan 2026’da ultra düşük k yalıtım ve çip üretiminde kullanılabilecek bu malzemeyi değerlendirmek amacıyla TSMC ile resmi bir araştırma işbirliği başlattı. Ekip ayrıca üç ay önce Ulusal Araştırma Vakfı (NRF) Merkezi Açık Fonu projesini devreye alarak düşük sıcaklıkta üretim sürecini ölçeklendirme, entegrasyon, güvenilirlik ve üretilebilirlik konularına yöneldi. Prof. Dr. Özyılmaz, bundan sonraki hedefin malzemenin elde ettiği performansı endüstriyel ölçekli wafer’lara taşımak ve mevcut çip üretim süreçlerine nasıl entegre edilebileceğini belirlemek olduğunu ifade etti.