Polymerchip med dansk tyndfilmsteknologi: Testet på retro-Commodore 64
Tyndfilm Fra silicium til bøjelig polymer
Da den engelske halvlederproducent PragmatIC Semiconductor i 2021 skulle i gang med at udvikle og producere en ny udgave af den ikoniske 8 bit-6502-processor, der af mange betragtes som en væsentlig trædesten på vejen til personlige computere, faldt valget på såkaldt PVD-udstyr fra virksomheden Polyteknik i Østervraa, der ligger mellem Hjørring og Sæby i Nordjylland.
6502-processoren var lidt af en revolution, da virksomheden MOS Technology sendte den på markedet i 1975. Den kostede nemlig radikalt mindre end konkurrenterne, f.eks. 8080-processoren fra Intel.
6502 blev i løbet af en kort årrække regnekraften i Apple I og Apple II, Commodore PET, Commodore 64 og BBC Micro, ligesom gamingplatforme som Nintendo Entertainment System og Atari 2600 også var kørende på 6502.
Den nye udgave af 6502-processoren anvendes i en retroudgave af Commodore 64, som PragmatIC Semiconductor har udviklet i samarbejde med den britiske chipdesigner Arm og belgiske Imec. Det særlige ved den nye chip er materialevalget. Siliciumwaferen er skiftet ud med en glaswafer, der holder et tyndt polymerlag, som det integrerede kredsløb bygges op på med lag af metal.
»Et af de lag bygges op med vores maskiner. Ud over at selve chippen bliver fleksibel og bevægelig reduceres omkostningerne til materiale betydeligt, når man skifter silicium ud med polymer,« siger Christian Kjelde, International Sales Manager hos Polyteknik.
Fra underleverandør til maskiner
Virksomheden blev startet af Jens William Larsen i 1995 og fungerede i en årrække som underleverandør af tyndfilm til blandt andet den nordjyske mobilklynge og virksomheder med behov for eksempelvis EMC-afskærmning på plastemner.
»Grundlæggende laver vi de lag af tyndfilm, som bruges til at fremstille mikrochips, sensorer og MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems, red.). Vores kunder producerer typisk sensorer og MEMS, hvor volumen er stor, men ikke så ekstreme som, når Intel eller TMSC producerer chips. Vi leverer også udstyr, der bruges til udvikling af kvanteteknologi og superledende materialer,« siger Christian Kjelde.
Da den nordjyske mobilindustri langsomt svandt ind i 00’erne, skiftede virksomheden strategi.
»På et tidspunkt begynder vi selv at producere maskiner internt og er siden vokset til, at vi leverer systemer til hele Europa. Lidt under halvdelen til udviklingsafdelinger og universiteter og resten til etablerede produktionsvirksomheder,« siger Christian Kjelde.
I dag beskæftiger Polyteknik omkring 37 ansatte og har store europæiske teknologiinstitutter som Fraunhofer i Tyskland, Sintef i Norge og TNO i Holland er på kundelisten.
PVD-platformen fra Polyteknik kan håndtere en kassette med op til 25 wafers ad gangen.
»Herfra sørger en robot for at flytte kassetten rundt mellem de forskellige processer. Først sikrer vi, at overfladen på waferen er helt ren. Det gør vi ved at ætse den i et afgasningskammer- eller plasmakammer. Så kan vi efterfølgende begynde at deponere de aktive lag, eksempelvis til vedhæftning eller isolering. Materialerne kan bestå af metaller eller halvledere, der fungerer som elektriske lag, barrierelag eller isolatorer,« forklarer Christian Kjelde.
Alle processer foregår i vakuum for at sikre det nødvendige niveau af renhed. Kernen i Polytekniks platform er såkaldt magnetron sputtering, som er en plasmaproces, hvor der sættes højspænding til. Lidt forsimplet sandblæses overfladen, som så ætses af argonioner. I den proces bliver det metalliske lag deponeret på waferen – uanset om det er silicium eller polymer.
Fleksibel polymer
Der er to primære årsager til, at virksomheder som PragmatIC Semiconductor og andre er begyndt at få vind i sejlene med polymerwafers. Den første er fleksibilitet. Polymermaterialet kan bukkes og bøjes uden at miste de ledende egenskaber, og så er prisen markant lavere end silicium. Hvis man skal fremstille simple RFID-tags, er det afgørende, om prisen pr. styk er en eurocent eller en euro, som nogenlunde er prisforskellen på polymer og silicium.
»Med undtagelse af chipdesign og layout, så kan man fremstille polymerchips efter samme principper som silicium, og det er med til at gøre det til et attraktivt materialevalg,« siger Christian Kjelde.
PragmatIC Semiconductor er de første til at købe et PVD-system fra Polyteknik, der kan håndtere 300 mm wafers, som efterhånden er industristandard i de fleste fabs til produktion af mikrochips i dag.
Efter en årrække med stor fokus på udvikling af software og kunstig intelligens har coronakrisen i den grad flyttet fokus tilbage på hardware i form af mikrochips. En stigende efterspørgsel kombineret med sammenbrudte forsyningskæder har skabt den største komponentkrise i elektronikindustrien i mange år.
Det har siden fået investeringerne i ny kapacitet til chipproduktion til at eksplodere. Intel i USA, Samsung i Sydkorea og TSMC i Taiwan fører an med svimlende trecifrede milliardinvesteringer. Selvom de ikke direkte lægger ordrer hos Polyteknik, mærker man den globale sult på mere regnekraft.
»Når efterspørgslen er så stor, som den er lige nu, så fokuserer de store leverandører på de store producenter, og det efterlader et spillerum til os. Omvendt kæmper vi – ligesom alle andre – med at skaffe det nødvendige elektronik.«
EU-Kommissionen har desuden udpeget chipproduktion som kritisk infrastruktur, og ambitionen er klar. I 2030 skal EU producere 20 procent af verdens mikrochips, hvilket er en markant stigning fra de 9 procent, der udgør den aktuelle andel.
En anden central politisk prioritering er opbygning af kapacitet inden for kvantecomputere, og her har Polytekniks PVD-systemer også en mulig rolle, da de kan bruges til at udvikle og fremstille de superledende lag af eksempelvis aluminium og neodymium, som skal bruges i kvantecomputere.
PVD (Physical Vapour Deposition) er en metode til pådampning af overfladebelægninger og udgør en central proces i opbygningen af integrerede kredsløb i alt fra mikrochips til sensorer. Fotos: Polyteknik
Polytekniks PVD-platform kan håndtere en kassette med op til 25 wafers ad gangen, og en robot sørger for at flytte kassetten rundt mellem de forskellige processer.
I dag vedligeholdes 8 bit-processoren af Western Design Center (WDC), som vurderer, at der er solgt omkring seks millioner forskellige udgaver af 65xx-processoren over de seneste 47 år.
