Rids i overfladen:Overvågning i realtid af overfladeændringer på atomniveau

Et team af forskere ved Aix Marseille Université i Marseille, Frankrig ledet af Dr. Frédéric Leroy udviklede en teknik, der gør det muligt for dem at følge fysiske processer, der forekommer på overflader af materialer på atomniveau in situ og i realtid. Denne nye proces gjorde det muligt for forskergruppen at undersøge kinetikken ved nedbrydning af et tyndt lag siliciumdioxid, der blev aflejret på silicium under en termisk behandling, en kritisk komponent i mikroelektronik. Fremgangsmåden er baseret på principperne for elektronmikroskopi.

Siliciumdioxid er en af ​​de vigtigste byggesten i mikroelektronik, og dens termiske stabilitet er afgørende for enhedens ydeevne. Nedbrydningen af ​​et tyndt lag siliciumdioxid på silicium har været i fokus af stor videnskabelig interesse i fire årtier. Tidligere undersøgelser viser, at nedbrydningen sker uhomogent ved overfladen via lokal dannelse af huller i oxidlaget, der strækker sig sideværts. Det er nødvendigt at forstå de elementære atomprocesser, der er ansvarlige for åbningshastigheden af ​​disse huller, for at forbedre siliciumoxidydelsen.

For at forskerholdet skal opnå en bedre forståelse af nanomaterialers egenskaber, avancerede karakteriseringsværktøjer var nødvendige.

"Vi havde brug for at være i stand til at karakterisere det strukturelle (krystallografi, størrelse, form) og de kemiske egenskaber på samme tid og for at kunne følge ændringer på stedet og i realtid under en given proces for hurtig tilbagemelding på de eksperimentelle parametre, " Leroy forklarede. "Vores tilgang baseret på lavenergi elektronmikroskopi er hjørnestenen i vores resultater."

Imidlertid, selv med det nye instrument, holdet stødte på udfordringer. At opnå realtidsmålinger af den termiske nedbrydning af siliciumdioxidet var særligt vanskeligt, da hele processen foregår på få minutter i et snævert temperaturvindue.

"Det var umuligt at justere alle kontrolparametre for elektronmikroskopet, før nedbrydningsprocessen startede, da siliciumdioxid er amorft, så vi var nødt til at finjustere indstillingerne inden for få sekunder, så snart oxidet nedbrydes for at karakterisere hele processen, " forklarede Leroy.

Imidlertid, den omhyggelige måling gav nogle overraskende resultater. Leroy og hans forskerhold fandt eksperimentelle beviser for, at nedbrydningsprocessen oprindeligt ikke var i et stabilt regime, som tidligere undersøgelser havde hævdet.

"Vores resultater antyder, at det konventionelle syn på et steady state-regime for siliciumdioxidnedbrydning relateret til en forenklet reaktion Si+SiO2-> 2SiO (g), der forekommer ved hulkanten, er generelt ikke sandt, " sagde Leroy. I stedet, teamets resultater indebærer, at nedbrydning af siliciumdioxid sker via hulkerning og åbning med en cirkulær form. Hastigheden af ​​hullernes åbning er tæt forbundet med nedbrydningshastigheden af ​​siliciumdioxid ved hullernes periferi. I første omgang, store huller åbner sig hurtigt takket være en kemisk reaktion katalyseret af arter såsom Si-hydroxyler, der er til stede inde i hullet. Forskere formoder, at disse arter agglomererer under lang termisk udglødning og frigives inde i hullerne under siliciumdioxidnedbrydningen.

De vigtigste anvendelser af dette arbejde er inden for mikroelektronik, især alle trin af termiske behandlinger.

"Vi har vist, at siliciumdioxidet dannet ved en våd kemisk behandling er meget defekt efter en lang termisk udglødning, "Leroy sagde. "Det næste skridt i vores forskning er at studere samspillet mellem kemiske reaktioner og forbedring af mobiliteten af ​​nanostrukturer."