30 november 2023

Bristen på halvledarmaterial blir alltmer akut. Det påverkar tillverkningen av elektronik globalt vilket i sin tur får storpolitiska följder. Vid Linköpings universitet bedrivs materialforskning i nära samarbete med industrin för att på sikt öka tillverkningstakten av halvledare i Europa.

Man med händerna över huvudet i ett labb (Urban Forsberg).
I det befintliga CVD-labbet på Campus Valla utförs mycket av den forskning som gör att tyska SGL Carbon vill fördjupa samarbetet med Linköpings universitet. Magnus Johansson

Urban Forsberg, biträdande professor vid Linköpings universitet, håller en liten rektangulär svart platta mellan tummen och pekfingret. Svärtan på hans fingertoppar tilltar med varje liten rörelse.

– Det här är ren grafit. Kol till 99,9995 procent. Med andra ord ganska rent. Men inte tillräckligt då grafiten ändå behöver en skyddande yta för det vi vill ha den till, säger han.

Men vad har då den lilla grafitrektangeln att göra med storpolitik? Jo, grafit är en viktig komponent vid tillverkning av halvledarmaterial. De senaste åren har just halvledarmaterial och bristen på densamma varit i fokus för techbranschen och internationell industri.

Coronapandemin förändrade mycket och eftersvallen märks fortfarande i många avseenden, bland annat inom tillverkningsindustrin. Ju länge pandemin pågick desto opålitligare blev leveranserna av halvledarmaterial till Europa. Porträttbild av Urban Forsberg. Urban Forsberg, biträdande professor vid Institutionen för fysik, kemi och biologi. Foto Magnus Johansson Det berodde på nedstängda fabriker och inställda internationella leveranser från framför allt Asien. Många elektroniktunga industrier påverkas fortfarande som till exempel bilindustrin, energisektorn, hälso- och sjukvården och inte minst kommunikationssektorn.

Fördubbla produktionen

Som lök på laxen tillverkas över hälften av världens halvledarmaterial av ett enda företag i en enda fabrik i Taiwan. Den fabriken brukar ibland kallas för världens viktigaste fabrik. Men ökade spänningar mellan Taiwan och Kina gör att osäkerheten kring halvledartillverkningen blir allt större, och skulle något hända med fabriken vid en eventuell väpnad konflikt står hela världen inför en monumental utmaning.

Därför har EU beslutat att fördubbla sin andel av världsproduktionen av halvledare från 10 till 20 procent fram till år 2030. Då beräknas marknaden dessutom att fördubblas vilket innebär att ökningen till 20 procent blir än större i absoluta tal.

För att det ska kunna bli verklighet har EU gjort en utlysning där cirka 93 miljarder kronor låg i potten. Dessutom ska industrin i motprestation skjuta till ytterligare 158 miljarder kronor. I den utlysningen kunde europeiska företag ansöka om bidrag för forskning, utveckling och produktion. Ett av de 56 företag som blivit utvalt är tyska SGL Carbon. Vi återkommer till dem.

"Skitig i jämförelse"

När man tillverkar halvledarmaterial är ett delmoment att skapa extremt tunna filmer av bland annat kisel, galliumnidtrid eller kiselkarbid på ett underlag och för att göra det använder man stora ugnar som kallas CVD-maskiner. Förkortningen står för chemical vapor deposition.Person i blå rock visar insidan av en maskin.Urban Forsberg visar insidan av en äldre CVD-maskin som doktorander får jobba med och öva upp färdigheter. Foto Magnus Johansson

Men hur var det med grafiten nu då? Inne i maskinerna är flera delar som värmeelement och substrathållare gjorda av grafit. Men när man värmer upp grafiten till ett par tusen grader kommer den att attackeras av gaser som skapas i ugnen och släppa ifrån sig oönskade föreningar – oavsett hur ren den är. Föreningarna kan skapa defekter och orenheter som förstör halvledarmaterialet och därför måste man skydda grafitens yta med en så kallad diffusionsbarriär för att undvika föroreningar i halvledarmaterialet.

– Insidan av en CVD-maskin är en av de renaste miljöerna man kan hitta på jorden. En operationssal är skitig i jämförelse, säger Urban Forsberg.

Även inkapslingen av grafidelarna kan göras i en CVD-maskin och det är just det SGL Carbon gör. De använder bland annat kiselkarbid som skyddande beläggning och säljer sedan komponenterna vidare till halvledarindustrin. Men att få till en inkapsling som håller för enorma temperaturer, kan göras i tre dimensioner och dessutom till en överkomlig kostnad kräver forskning.

Industrinära forskning

Linköpings universitet har tidigare bedrivit ett samarbete med SGL Carbon. Det började för sju år sedan då de insåg att mer avancerade beläggningar krävdes för att hålla jämna steg med utvecklingen inom halvledarindustrin. Då inledde de jakten efter en akademisk samarbetspartner.

– De googlade: ”vem är bäst i världen på kiselkarbid?” och då dök Linköpings universitet och professor Erik Janzén upp. Tyvärr gick han bort 2017 men fram till sin död byggde han upp en produktiv forskningsmiljö som samarbetade nära industrin, säger Urban Forsberg som nu fortsätter det arbetet.

I och med att SGL Carbon är berättigade att få EU-pengarna kan de tillsammans med LiU bygga upp en forskningsverksamhet med nytt labb, ny CVD-maskin och ett antal forskare som jobbar med projektet i ytterligare fem år. Samarbetet hittills har resulterat i en disputerad forskare, en postdoktor, ett antal artiklar och även patent.Man håller fram guldfärgad platta (Urban Forsberg).Provplattan av grafit är belagd med ett mycket tunt lager tantalkarbid som ska innesluta grafiten. Foto Magnus Johansson

I förlängningen innebär det att LiU blir en ännu mer betydelsefull partner för SGL Carbons forskningsverksamhet. Men trots att uppdraget kommer från ett privat företag har man sett till att behålla den akademiska friheten.

– Det är en balansgång. Det är nästan uppdragsforskning, eller i alla fall väldigt industrinära forskning, men vi måste ha en akademisk höjd på det. Detta är något SGL förstår tack vare att de har många tidigare akademiker i ledande positioner som förstår vad som krävs, säger Urban Forsberg.

Hållbart och ekonomiskt

Projektet finansieras av SGL Carbon över fem år för Linköpings universitet. Urban Forsberg fortsätter:

– Alla tycker inte att det är så fint med industrinära forskning. Men Erik Janzén, med bakgrund på ABB, förstod tidigt att utöver bidrag från Vetenskapsrådet, Vinnova och så vidare, måste man ha industripartners för att uppnå en kritisk massa. Forskningen är väldigt dyr så det gäller att man satsar på rätt grejer. Det finns plats även för den här typen av forskning på universitetet och det är viktigt.

De främsta materialen som LiU-forskarna fokuserar på idag är kiselkarbid och tantalkarbid. Men kiselkarbid är begränsad till vissa applikationer och tantalkarbid är dyrt. Så det långsiktiga målet för projektet är att hitta nya både hållbara och ekonomiska beläggningar för grafitkomponenterna.

Nytt labb

Men renheten är avgörande för tillverkning av halvledare som tillexempel ska bli de kraftkomponenter som sitter i elbilar som styr hur elektriciteten fördelas mellan olika motordelar.

– Det är viktigt att förbättra materialkvaliteten och att få ner produktionskostnaden. Samtidigt är halvledarindustrin väldigt traditionsbunden och det är svårt att introducera nya material. Du måste visa att det fungerar över lång tid, säger Urban Forsberg.

Det nya labbet kommer att byggas upp under 2024. Men på grund av fortsatt långa leveranstider i eftersvallet av coronapandemin är det osäkert när alla delar till CVD-maskninen kan vara på plats. Men när den väl är på plats ska man kunna belägga hela prototypdelar i tre dimensioner med nya typer av beläggningar och material.En svart och en guldfärgad rektangulär platta i en hand.Den svarta provplattan är ren grafit och den guldfärgade är belagd med tantalkrabid.  Foto Magnus Johansson

– Det vi tillverkar i vårt labb kan vi skicka till partners i utbyte mot resultaten de får när de använder produkten i sina maskiner. Men det är viktigt att komma ihåg att vi inte driver en fabrik, det är ett forskningslabb.

Fakta: Halvledare

Metaller leder elektricitet medan isolatorer, som plast och glas, inte gör det. Mitt emellan finns så kallade halvledare. De leder ström helt okej vilket öppnar får många möjligheter. Några vanliga halvledarmaterial är kisel, germanium och kiselkarbid. Genom att tillsätta andra ämnen i materialet (dopning) kan det bli ett halvledarmaterial som används i elektronik. Vanliga halvledarkomponenter är lysdioder, transistorer och chip.

Kontakt

Senaste nytt från LiU

Ola Larsmo.

En brygga mellan universitetet och samhället

Författaren Ola Larsmo sammanfattar sin tid som gästprofessor vid LiU som spännande, givande och viktig. Han menar att det i dag är viktigare än någonsin att känna till sin historia och att förstå den.

Glasskiva med droppe belyst underifrån.

Nästa generations hållbara elektronik dopas med luft

Forskare vid LiU har utvecklat en ny metod där organiska halvledare kan bli mer ledande med hjälp av luft som störämne. Enligt forskarna är det ett stort steg mot framtidens billiga och hållbara organiska halvledare.

läkare studerar undersökningsbilder.

Tolkar i vården viktiga för vård efter hjärtinfarkt

Efter en hjärtinfarkt är utlandsfödda mindre benägna att delta i återfallsförebyggande hjärtskola än inrikes födda patienter. Men med tillgång till en professionell tolk ökar deltagandet. Detta enligt en studie som letts av forskare vid LiU.