Een team van onderzoekers van de Aix Marseille Université in Marseille, Frankrijk, onder leiding van Dr. Frédéric Leroy, ontwikkelde een techniek waarmee ze fysieke processen die plaatsvinden op oppervlakken van materialen op atomair niveau in situ en in realtime kunnen volgen. Dankzij dit nieuwe proces kon het onderzoeksteam de ontledingskinetiek bestuderen van een dunne laag siliciumdioxide die tijdens een thermische behandeling op silicium was afgezet. een kritische component in micro-elektronica. De aanpak is gebaseerd op de principes van elektronenmicroscopie.

Siliciumdioxide is een van de belangrijkste bouwstenen van micro-elektronica en de thermische stabiliteit ervan is van cruciaal belang voor de prestaties van het apparaat. De ontleding van een dunne laag siliciumdioxide op silicium staat al vier decennia in het middelpunt van de wetenschappelijke belangstelling. Eerdere studies tonen aan dat de afbraak aan het oppervlak niet homogeen plaatsvindt via de lokale vorming van gaten in de oxidelaag die zich zijdelings uitstrekken. Het begrijpen van de elementaire atomaire processen die verantwoordelijk zijn voor de openingssnelheid van deze gaten is noodzakelijk om de prestaties van siliciumoxide te verbeteren.

Voor het onderzoeksteam om een ​​beter begrip te krijgen van de eigenschappen van nanomaterialen, geavanceerde karakteriseringstools nodig waren.

"We moesten de structurele (kristallografie, maat, vorm) en de chemische eigenschappen tegelijkertijd en om in situ en in realtime de veranderingen tijdens een bepaald proces te kunnen volgen voor een snelle feedback over de experimentele parameters, " legde Leroy uit. "Onze aanpak op basis van elektronenmicroscopie met lage energie is de hoeksteen van onze prestaties."

Echter, zelfs met het nieuwe instrument, het team kwam uitdagingen tegen. Het verkrijgen van real-time metingen van de thermische ontleding van het siliciumdioxide was bijzonder moeilijk omdat het volledige proces in slechts enkele minuten plaatsvindt in een smal temperatuurvenster.

"Het was onmogelijk om alle controleparameters van de elektronenmicroscoop aan te passen voordat het ontbindingsproces begon, aangezien siliciumdioxide amorf is, dus we moesten de instellingen binnen een paar seconden fijn aanpassen zodra het oxide ontleedt om het hele proces te karakteriseren, ' legde Leroy uit.

Echter, de minutieuze meting leverde verrassende resultaten op. Leroy en zijn onderzoeksteam vonden experimenteel bewijs dat het ontbindingsproces aanvankelijk niet in een stabiel regime was, zoals eerdere studies hadden beweerd.

"Onze resultaten impliceren dat het conventionele beeld van een stationair regime voor de ontleding van siliciumdioxide gerelateerd is aan een vereenvoudigde reactie Si + SiO2-> 2SiO(g) dat voorkomt aan de rand van het gat is over het algemeen niet waar, " zei Leroy. In plaats daarvan, de resultaten van het team impliceren dat ontleding van siliciumdioxide plaatsvindt via nucleatie van gaten en opening met een cirkelvorm. De snelheid van het openen van de gaten hangt nauw samen met de ontledingssnelheid van siliciumdioxide aan de omtrek van de gaten. aanvankelijk, grote gaten gaan snel open dankzij een chemische reactie die wordt gekatalyseerd door soorten zoals Si-hydroxylen die in het gat aanwezig zijn. Onderzoekers vermoeden dat deze soorten agglomereren tijdens langdurig thermisch uitgloeien en vrijkomen in de gaten tijdens de afbraak van siliciumdioxide.

De belangrijkste toepassingen van dit werk zijn in micro-elektronica, in het bijzonder alle stappen van thermische behandelingen.

"We hebben aangetoond dat het siliciumdioxide gevormd door een natte chemische behandeling zeer defect is na een lange thermische gloeiing, " zei Leroy. "De volgende stap in ons onderzoek is het bestuderen van de wisselwerking tussen chemische reacties en de verbetering van de mobiliteit van nanostructuren."