Bij het maken van siliciumlaagjes voor computerchips treedt een merkwaardig fenomeen op: gasfasepolymerisatie. Het gevormde stof levert in de industrie steeds grotere problemen.

Ontrafelen hoe stof ontstaat in plasma’s van silaan (SiH4) is een lastig karwei. In plasma’s, een gasachtige toestand waarbij er naast neutrale gasmoleculen ook elektronen en geladen deeltjes voorkomen, vindt razendsnel een hele serie chemische reacties plaats die je moeilijk experimenteel kunt bestuderen. In silaanplasma’s zijn in honderd milliseconden al stofdeeltjes van zo’n twee nanometer gevormd, waarin ruim tweehonderd SiH4-moleculen aan elkaar zijn geregen via gasfasepolymerisatie. In vijf seconden zijn een hoop van die deeltjes samengeklonterd tot mini-bolletjes van zo’n vijftig tot zestig nanometer.

Supercomputers bieden uitkomst bij het ontrafelen van de oorzaken van de stofvorming. Het negatieve ion SiH3- is bijna altijd het startpunt van de stofvorming, ontdekte de Antwerpse promovendus Kathleen De Bleecker met haar computermodel vol met reactievergelijkingen, reactiesnelheden en andere randvoorwaarden. Negentig procent van het gevormde stof heeft dit ion als nucleatiepunt. SiH2- neemt de rest van de stofvorming voor zijn rekening.

Stofvorming in plasma’s is een relatief nieuw onderzoeksgebied. “Tien jaar geleden had je nog geen internationale congressen over dit onderwerp, terwijl die nu jaarlijks plaatsvinden”, vertelt De Bleecker. De vorming van stofdeeltjes van SiH4-moleculen is vervelend bij het maken van computerchips en dunne-filmtransitoren voor plasmaschermen, waarbij de producenten silaan als ontladings­ gas gebruiken om dunne sili­ ciumlagen af te zetten op een oppervlak.

Plasmareactor waarin stofdeeltjes ontstaan met als inzet een enkel siliciumstofdeeltje met een diameter van 20 micrometer.
(cop: Gary Selwyn, gary.selwyn@apjet.com’)

Kleven

Stofdeeltjes laten het rendement en de kwaliteit van de componenten sterk dalen. Chips worden zelfs onbruikbaar wanneer stofdeeltjes in een geëtst kanaal tussen twee componenten op een chip vallen. Hoe kleiner de chips, hoe kleiner de kanaaltjes van de geïntegreerde circuits (ic’s) zijn en hoe sneller een stofdeeltje voor problemen zorgt. “Daarom wordt stofvorming in de elektronica-industrie als een steeds groter probleem gezien. De verwachting is dat in de nabije toekomst de grens van killer-stofdeeltjes zal dalen tot ongeveer tien nanometer.”

Om de industrieel belangrijke siliciumlagen te maken, zijn SiH3-radicalen nodig, die ontstaan door silaangas in een elektrisch veld te brengen. In dit proces ontstaan allerlei ionen als bijproduct, waaronder het negatieve ion SiH3-. De SiH3-radicalen zijn neutrale gasmoleculen die aan het oppervlak blijven kleven en zo vormt zich een dunne laag. SiH3- wordt echter juist afgestoten door hetzelfde negatief geladen oppervlak. Hierdoor hopen deze negatieve ionen zich op in de reactor waar het gasfasepolymerisatie in gang kan zetten met het steeds opnieuw aangevoerde silaan, legt De Bleecker uit. Als promovendus heeft zij al een drietal publicaties over dit onderwerp op haar naam staan in het toonaangevende vaktijdschrift Physical Review E.

Siliciumstofdeeltje (John Goree, Department of
Physics and Astronomy, The University of Iowa, VS)

Botsen

Om de kans te verkleinen dat de gevormde stofdeeltjes in de dunne siliciumlaag terechtkomen, adviseert De Bleecker om een temperatuurgradiënt in de reactor aan te leggen. Zorg dat het gebied dat het verst van de afgezette laag ligt het koudst is, is haar advies. Grotere deeltjes zullen dat koudere gebied volgens de wetten van de thermodynamica opzoeken omdat ze daar minder kans hebben tegen elkaar op te botsen. “Mijn model wil ik overigens eerst nog verder verbeteren voor ik aan het eind van mijn doctoraatsonderzoek met concretere adviezen voor de industrie kom”, stelt de Antwerpse onderzoeker.

Het is echter niet alleen maar ellende met die stofdeeltjes. Bij het maken van zonnecellen biedt invoeging van stof­ deeltjes van enkele nanometers mogelijk uitkomst bij het verbeteren van het rendement. “Je krijgt dan een soort polymorf silicium met verbeterde filmeigenschappen, mogelijk een goede kandidaat voor de productie van hoog efficiënte zonnecellen.”