Un team di ricercatori dell'Aix Marseille Université di Marsiglia, La Francia guidata dal Dr. Frédéric Leroy ha sviluppato una tecnica che consente loro di seguire i processi fisici che si verificano sulle superfici dei materiali a livello atomico in situ e in tempo reale. Questo nuovo processo ha permesso al team di ricerca di studiare la cinetica di decomposizione di un sottile strato di biossido di silicio depositato sul silicio durante un trattamento termico, un componente critico nella microelettronica. L'approccio si basa sui principi della microscopia elettronica.
Il biossido di silicio è uno degli elementi costitutivi più importanti della microelettronica e la sua stabilità termica è fondamentale per le prestazioni del dispositivo. La decomposizione di un sottile strato di biossido di silicio sul silicio è stata al centro di grande interesse scientifico per quattro decenni. Studi precedenti mostrano che la decomposizione avviene in modo non omogeneo in superficie attraverso la formazione locale di fori nello strato di ossido che si estendono lateralmente. La comprensione dei processi atomici elementari responsabili della velocità di apertura di questi fori è necessaria per migliorare le prestazioni dell'ossido di silicio.
Affinché il team di ricerca possa ottenere una migliore comprensione delle proprietà dei nanomateriali, erano necessari strumenti di caratterizzazione avanzati.
"Dovevamo essere in grado di caratterizzare la struttura (cristallografia, dimensione, forma) e le proprietà chimiche allo stesso tempo e di poter seguire in situ e in tempo reale i cambiamenti durante un dato processo per un rapido feedback sui parametri sperimentali, " Ha spiegato Leroy. "Il nostro approccio basato sulla microscopia elettronica a bassa energia è la pietra angolare dei nostri risultati".
Però, anche con il nuovo strumento, la squadra ha incontrato difficoltà. Ottenere misure in tempo reale della decomposizione termica del biossido di silicio è stato particolarmente difficile poiché il processo completo avviene in pochi minuti in una finestra di temperatura ristretta.
"Era impossibile regolare tutti i parametri di controllo del microscopio elettronico prima che iniziasse il processo di decomposizione poiché il biossido di silicio è amorfo, quindi abbiamo dovuto regolare finemente le impostazioni entro pochi secondi non appena l'ossido si decompone per caratterizzare l'intero processo, " ha spiegato Leroy.
Però, la misurazione meticolosa ha prodotto alcuni risultati sorprendenti. Leroy e il suo gruppo di ricerca hanno trovato prove sperimentali che il processo di decomposizione non era inizialmente in un regime di stato stazionario come avevano sostenuto studi precedenti.
"I nostri risultati implicano che la visione convenzionale di un regime stazionario per la decomposizione del biossido di silicio è correlata a una reazione semplificata Si+SiO2-> 2SiO(g) che si verifica al bordo del foro non è generalmente vero, " disse Leroy. Invece, i risultati del team implicano che la decomposizione del biossido di silicio avviene tramite la nucleazione di fori e l'apertura con una forma circolare. La velocità di apertura dei fori è intimamente correlata alla velocità di decomposizione del biossido di silicio alla periferia dei fori. Inizialmente, grandi fori si aprono velocemente grazie a una reazione chimica catalizzata da specie come gli idrossili di Si presenti all'interno del foro. I ricercatori sospettano che queste specie si agglomerano durante la lunga ricottura termica e vengono rilasciate all'interno dei fori durante la decomposizione del biossido di silicio.
Le principali applicazioni di questo lavoro sono nella microelettronica, in particolare tutte le fasi dei trattamenti termali.
"Abbiamo dimostrato che il biossido di silicio formato da un trattamento chimico umido è altamente difettoso dopo una lunga ricottura termica, " Ha detto Leroy. "Il prossimo passo nella nostra ricerca è studiare l'interazione tra le reazioni chimiche e il miglioramento della mobilità delle nanostrutture".
