De Mosfettransistor bestaat al 60 jaar en is het meest gefabriceerde elektronica-onderdeel in de geschiedenis. Deze transistor is gebaseerd op de halfgeleider silicium. Zonder die halfgeleider zouden er geen computers of mobiele telefoons hebben bestaan. Silicium heeft het voordeel dat het goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar is. Het nadeel is echter dat het gemakkelijk breekt omdat het erg broos is. Dit kan op zijn beurt een probleem zijn als het gaat om de productie van superkleine systemen van slechts enkele micrometers groot, zoals versnellingssensoren in moderne mobiele telefoons.
Onderzoekers van ETH Zürich, onder leiding van Jeffrey Wheeler, senior scientist in het Laboratorium voor Nanometallurgie, en het Laboratorium voor de Mechanica van Materialen en Nanostructuren in Empa hebben nu echter kunnen aantonen dat silicium “onder bepaalde omstandigheden veel resistenter en vervormbaarder kan zijn dan eerder werd gedacht”. Zij hebben de resultaten van hun onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.
Het vermijden van schade
“Dit is het resultaat van 10 jaar hard werken,” zegt Wheeler. Hij bestudeerde een veelgebruikte siliconeproductiemethode tot in detail. Hij wilde erachter komen hoe kleine structuren van silicium kunnen worden vervormd. Bij de productie met behulp van een ionenbundel kan oppervlakteschade ontstaan. Als gevolg daarvan breekt het materiaal dan makkelijker.
Om dergelijke schade te voorkomen, besloten Wheeler en zijn collega’s een speciale vorm van lithografie te testen in plaats van de ionenbundel. “Eerst hebben we de gewenste structuren – in ons geval minuscule kolommen – gecreëerd door het materiaal dat niet door een masker wordt bedekt, weg te etsen van een siliciumoppervlak met een gasplasma”, legt Ming Chen uit, een oud-doctoraalstudent in de onderzoeksgroep van Wheeler. In een volgende stap wordt het oppervlak van de kolommen, waarvan sommige minder dan honderd nanometer breed zijn, eerst geoxideerd en vervolgens gereinigd door de oxidelaag volledig te verwijderen met een sterk zuur.
Bij de volgende stap gebruikte Chen een elektronenmicroscoop om de sterkte en vervormbaarheid van siliciumkolommen van verschillende breedtes te onderzoeken en vergeleek hij de beide productiemethoden. Hiervoor drukte hij een kleine diamant in de kolommen en observeerde het vervormingsgedrag.
Verrassende resultaten
De resultaten toonden aan dat de kolommen die met een ionenbundel waren gefreesd al op minder dan een halve micrometer breedte waren ingestort. De wetenschappers leggen uit dat de kolommen die door lithografieprocessen worden geproduceerd, daarentegen slechts bij een breedte van meer dan vier micrometer breken. Dunnere exemplaren hebben de druk echter grotendeels doorstaan. “Deze lithografische siliciumkolommen zijn nog steeds vervormbaar, zelfs bij afmetingen die tien keer zo groot zijn als die welke we hebben waargenomen in plasma-gefreesd silicium met dezelfde kristalrichting – en met twee keer zoveel kracht”, vat Wheeler de resultaten van zijn experimenten samen.
De sterkte van de lithografisch geproduceerde kolommen heeft zelfs waarden bereikt die men eigenlijk alleen in theorie zou verwachten. “De sleutel is de absolute zuiverheid van de kolomoppervlakken, die wordt bereikt met het reinigingsproces op het einde.” Dit laat veel minder oppervlaktedefecten achter die een breuk in het materiaal kunnen veroorzaken. Een opvallende verandering in de vervormingsmechanismen bij kleine afmetingen, die de wetenschappers ook hebben waargenomen, bracht ook volledig nieuwe details in de vervorming van silicone aan het licht.
Gevolgen voor mobiele telefoons
Volgens Wheeler kunnen deze nieuwe bevindingen direct gevolg hebben voor de productie van silicium microsystemen. “Gyroscopen die in mobiele telefoons worden gebruikt om rotatie te detecteren, kunnen nog kleiner en robuuster worden.” De gecombineerde ets- en reinigingsmethode die nu al in de industrie wordt gebruikt, zou ook toegepast kunnen worden op andere materialen met een soortgelijke kristalstructuur als die van silicium, denken de wetenschappers. Bovendien zou ook meer elastisch silicium kunnen worden gebruikt om de elektrische eigenschappen ervan voor bepaalde toepassingen verder te verbeteren. “In feite kan de mobiliteit van zijn elektronen worden vergroot door de halfgeleider sterk te spannen, waardoor bijvoorbeeld kortere schakeltijden mogelijk zijn”. In het verleden moesten hiervoor nanodraden worden geproduceerd. Maar in de toekomst kon dit direct worden bereikt met structuren die in de halfgeleiderchip zijn geïntegreerd.
Hoofdoto: Siliciumkolommen van slechts enkele micrometers onder de elektronenmicroscoop: dergelijke structuren maken het materiaal elastischer. (Foto: Laszlo Pethö / Empa)
