Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Integrierter Chip sorgt für extrem hohe Genauigkeiten : Ausgabe 19/2014, 22.10.2014

Brutkasten für die Elektronik von morgen

Ins Noise-free-Lab am «Binnig and Rohrer Nanotechnology Center» in Rüschlikon dringen weder Lärm, Erschütterungen noch elektromagnetische Felder. Ein Temperaturfühler verhindert zudem, dass die Experimente an neuen Schaltelementen für Chips durch Temperaturschwankungen verfälscht werden.

Während 1958 auf dem ersten integrierten Schaltkreis zehn Transistoren Platz hatten, sind es heute mehr als eine Milliarde auf einem einzelnen Computerchip. Die Strukturen sind mittlerweile so klein, dass einzelne Lagen nur noch wenige Atome dick sind. So rücken andere physikalische Phänomene in den Fokus: Plötzlich fliessen Elektronen, wo sie gar nicht dürften. Um dies zu verhindern, versuchen die Forscher, den Transistor neu zu erfinden und neuartige Bauelemente zu erforschen.

In der Ruhe liegt die Lösung

Ein weltweit anerkanntes Labor, in dem Wissenschaftler an den Transistoren von morgen arbeiten, liegt in der Schweiz: das IBM-Forschungslabor in Rüschlikon. Die verkehrstechnisch gute Lage hat dabei auch Nachteile: Fährt ein Lastwagen vorbei, wackeln die Proben unter dem Elektronenmikroskop.

Im 2011 eröffneten «Binnig and Rohrer Nanotechnology Center» befinden sich sechs integrierte Labore, die besonders abgeschirmt wurden: die Noise-free-Labs. Sie sind direkt auf Fels gebaut, die Messaufbauten selbst sind nochmals auf Betonblöcken platziert, die auf einem Luftkissen schweben. So kann ein 40-Tonner vorbeirasen, ohne dass die Probe vibriert.

Ein weiteres Problem ist der Schall. Deshalb schotten dicke Türen die Labors ab. Selbst die anwesenden Wissenschaftler wären zu laut und müssen die Experimente aus einem abgetrennten Raum steuern.

Exakte Raumtemperatur ist unabdingbar

Eine Temperaturdifferenz von wenigen Graden kann eine Probe um mehrere 100 nm/h verschieben, was bei Strukturen im Bereich von 1 bis 50 nm fatale Folgen hätte. Ein Sensor misst deshalb die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit. IBM setzt dafür einen Messumformer von Rotronic ein, der die Temperatur mit einer absoluten Genauigkeit von 0,1°C misst. Dies entspricht der maximalen Temperaturdrift, die im Labor über eine Stunde erlaubt ist.

Gleichzeitig misst der Fühler die relative Luftfeuchtigkeit, die zwischen 35 und 55 % rF liegen muss und nicht mehr als 5 % rF abweichen darf. Der Fühler misst die Luftfeuchtigkeit sogar auf 0,8 % rF genau, dank eines in den Fühler integrierten Chips.

Labors mit hohem wissenschaftlichem Stellenwert

Die Forscherin Heike Riel nutzt die Quanteneffekte gezielt aus, um nicht nur kleine, sondern auch sparsame Transistoren zu entwickeln. Statt wie heute üblich mit etwas mehr als 1 V Betriebsspannung, würden diese Transistoren mit Spannungen unter 0,5 V arbeiten. Rolf Allenspach will den Spin der Elektronen nutzen: Spin-Up entspräche einer logischen Eins, Spin-Down einer logischen Null. Der Clou dabei ist, dass es viel weniger Energie braucht, den Spin zu ändern, als das Elektron, wie heute im Transistor, zu verschieben.

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Der Temperaturfühler hält den Raum bei einer konstanten Temperatur – mit Abweichungen unter 0,5°C (absolut) und einer Drift von maximal 0,1°C/h