Bättre digitala minnen med hjälp av ädla gaser

För 25 år sedan kunde ett minneskort till en kamera hålla 64 megabyte information. Idag kan samma fysiska storlek på minneskorten hålla 4 terabyte – över 60 000 gånger mer information.

En elektronisk lagringsplats, som tillexempel ett minneskort, skapas genom att hundratals tunna lager av omväxlande ett elektriskt ledande och ett isolerande material varvas. Sedan etsas mängder av mycket små hål igenom lagren. Avslutningsvis fylls hålen med ett ledande material. Då används en teknik där ångor av olika ämnen används för att skapa tunna materiallager.

Fler hål ger mer minne

I varje punkt där de tre olika materialen möts i hålen skapas minnesceller. Tillsammans bildar minnescellerna ett digitalt minne. Ju fler mötespunkter desto mer information kan lagras i minne. Det innebär att fler lager med tunnare hål och fler hål leder till fler minnesceller. Men det gör det också svårare att fylla hålet.

– Problemet är att få ner materialet i hålen och belägga ytan inuti hålet jämt. Man vill inte att det blir mer material vid öppningen på hålet – det kloggar igen öppningen och man kan inte fylla resten av hålet. Molekylerna som bär med sig atomerna för materialet måste kunna komma hela vägen ner i botten, säger Henrik Pedersen, professor i oorganisk kemi vid Linköpings universitet.

För att förstå utmaningen kan man jämföra hålen som ska fyllas med världens högsta byggnad, Burj Khalifa i Dubai, på 828 meter. Hålen som ska fyllas är 100 nanometer i diameter och 10 000 nanometer djupa. Förhållandet är alltså 100 till 1. Om samma förhållande skulle gälla för Burj Khalifa som för hålen skulle tornet endast vara åtta meter brett i basen.

Xenon "knuffar" molekyler

Det forskarna vid Linköpings universitet nu gjort är att tillsätta en tung ädelgas, xenon, under själva beläggningsprocessen vilket gjorde att materialet fick samma tjocklek i botten som i toppen av ett hål.

Den idag vanligaste metoden för att lyckas med det är att sänka temperaturen rejält. Då går de kemiska reaktionerna långsammare, men det leder också ofta till att materialet får sämre egenskaper. Genom att tillsätta xenon kunde forskarna använda tillräckligt hög temperatur för att få riktigt bra materialkvalitet.

– Vi vet inte exakt hur det faktiskt fungerar än. Vi tror att xenongasen hjälper till att ”knuffa” ner molekylerna i hålet. Det var ett genidrag av min doktorand Arun Haridas Choolakkal. Han hade studerat några grundläggande formler för hur gaser rör sig och lade fram hypotesen att detta borde funka. Tillsammans satte vi upp ett antal experiment för att testa, och det funkade, säger Henrik Pedersen.

Forskarna har tagit patent på tekniken och sedan sålt patentet vidare till ett företag i Finland som nu har ansökt om patent i flera länder.

– Det var ett sätt att hålla patentet levande och företaget har resurserna att utveckla det vidare. Jag tror att tekniken har en god chans att bli branschstandard, säger Henrik Pedersen.

Studien finansierades av Vetenskapsrådet samt via den svenska regeringens strategiska satsning på forskning inom avancerade funktionella materiel, AFM, vid Linköpings universitet.

Artikeln: Competitive co-diffusion as a route to enhanced step coverage in chemical vapor deposition, Arun Haridas Choolakkal, Pentti Niiranen, Samira Dorri, Jens Birch, Henrik Pedersen, Nature Communications 15, 10667 (2024), publicerad online 11 december 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-55007-1