Je leest:

Gevaarlijk, maar ook nuttig

Gevaarlijk, maar ook nuttig

Spanningscorrosie in de chipindustrie

Auteur: | 18 augustus 2010

Het kan een brug doen instorten, maar ook een laagje silicium in een perfecte lijn doorsnijden. Een Europees onderzoeksteam heeft ontdekt dat spanningscorrosie de kern vormt van een populaire techniek in de chipindustrie.

Het is vrijdag 15 december 1967. In Point Pleasant (West Virginia, VS) voltrekt zich een ramp: de 680 meter lange brug die het plaatsje verbindt met Kantauga, aan de overkant van de rivier Ohio, stort in en 46 mensen komen om het leven. Of zondag 10 juni 2001. Een groot deel van het dak van het zwembad De Waterwijck in Steenwijk komt naar beneden. Er zijn geen gewonden, maar de schade is groot.

Inmiddels is er een nieuwe brug verrezen bij Point Pleasant. Niet lang na de ramp werd zo’n anderhalve kilometer zuidelijker de Silver Memorial Bridge aangelegd.
Flickr: Scott Stewart

Twee rampen die op het eerste gezicht niets te maken lijken te hebben met chiptechnologie. Dat is echter toch het geval, zo blijkt nu. Onderzoekers van verschillende Europese universiteiten hebben vastgesteld dat spanningscorrosie het onderliggende proces is in een veelgebruikte methode om computerchips te maken. En spanningscorrosie veroorzaakte ook het instorten van de brug en het zwembaddak.

Snijden met ionen

De basis van een chip is een dun laagje silicium, een zogenaamde wafer. Hierop komen later in het proces de geïntegreerde schakelingen, zoals je kunt lezen in een Kennislink-artikel over het maken van chips. Een nieuw type is de ‘silicium-op-isolator’-wafer. Dat zijn wafers die bestaan uit twee lagen silicium met daartussen een isolerende (niet-stroomdoorlatende) laag. Het voordeel is dat deze wafers minder stroom verbruiken, maar dezelfde prestatie leveren. Hierbij geldt, hoe dunner het plaatje, hoe lager het energieverbruik.

Om een mega-dun siliciumlaagje te krijgen, gebruikt men tegenwoordig de SmartCut-techniek (zie hieronder).

In stap één zie je een wafer met daarbovenop een laagje siliciumdioxide. Dat bovenste laagje wordt later de tussenliggende isolatielaag. Om een breuk te forceren, worden in stap twee waterstofionen in de wafer geschoten. Ze vormen een dunne laag, een tiental nanometers onder het oppervlak. Vervolgens wordt bovenop de isolatielaag een tweede wafer aangebracht. Die moet straks ‘tegendruk geven’ tijdens het breken van de eerste wafer. In stap vier wordt de wafer tot een bepaalde temperatuur verhit, waardoor de wafer uiteindelijk in tweeën breekt (stap vijf). Het afgebroken stuk kan worden hergebruikt in een nieuw proces. Het deel dat nog steeds vastzit aan de siliciumdioxide is nu heel dun en wordt in stap zes glad geschuurd. De wafer heet nu ‘silicium-op-isolator’-wafer en is klaar voor gebruik.

Hoewel de SmartCut-technologie veel gebruikt wordt, begreep men het snij-proces nooit helemaal. Het vermoeden was dat het inbrengen van de waterstofionen zorgt voor piepkleine kiertjes, waarin onder hoge druk waterstofgas wordt gevormd. Wanneer dat gas vervolgens uitzet, zou dat het scheuren veroorzaken.

Een team van onderzoekers heeft nu echter vastgesteld dat er een ander mechanisme in het spel is. Hetzelfde mechanisme dat ook bruggen en zwembaden doet instorten: spanningscorrosie.

Samenloop van omstandigheden

Spanningscorrosie is een vorm van corrosie die alleen optreedt bij een combinatie van factoren. Aan de ene kant moet het materiaal onder trekspanning staan, waardoor het voortdurend iets wordt uitgerekt. Aan de andere kant moet er ook een zogenaamd medium in de buurt zijn, een bepaald materiaal dat normaal gesproken niet zoveel kwaad kan. Is het echter aanwezig in combinatie met de trekspanning, dan kan het mis gaan.

Zoals bijvoorbeeld in Steenwijk. Het dak was gemaakt van roestvaststaal, een bestendig materiaal dat goed bruikbaar is in een zwembad, omdat het niet kan gaan roesten (wat door het water natuurlijk snel kan gebeuren). Er is echter één uitzondering: er mogen geen trekspanningen optreden. In dat geval zorgt de aanwezigheid van chloride er voor dat het staal alsnog begint te scheuren. Dit zijn echter minuscule scheurtjes die je snel over het hoofd ziet, totdat het te laat is en het bouwwerk het begeeft.

Spanningscorrosie speelde ook een rol bij het instorten van de Silver Bridge. De brug was blootgesteld aan weer en wind, water en vervuilde lucht uit auto’s en fabrieken. Hierin zaten stoffen die, in combinatie met de trekspanning, een klein scheurtje in het staal veroorzaakte. Door het extra gewicht van het verkeer én de koude nacht, brak het geheel 39 jaar later doormidden.

Uit onderzoek blijkt nu dat spanningscorrosie ook de oorzaak is van het breken van de siliciumplaat. In dit geval is er geen ‘normale’ trekspanning zoals bij een brug of dak, maar zorgt de verhitting voor spanning. Door die spanning gaan de waterstofatomen verbindingen vormen met het silicium van de wafer. Er zijn echter geen ‘vrije’ siliciumatomen in omloop dus moeten bestaande siliciumverbindingen hiervoor verbreken. En wanneer die verbindingen stuk gaan, wordt de structuur van de wafer aangetast.

Zolang het verhitten doorgaat, wordt het gebied met verbroken silicium-silicium verbindingen groter en groter. Ondertussen hebben de waterstofatomen ook waterstofgas gevormd en die stroomt het aangetaste gebied binnen. De druk in deze ruimte neemt hierdoor toe en wanneer de druk te hoog wordt, breekt de wafer uiteindelijk in tweeën. En zie daar: een dun plakje silicium!

Verbindingen in beeld

De onderzoekers hebben hun ontdekkingen gedaan aan de hand van simulaties met moleculen. Dit heet ook wel moleculaire dynamica (zie ook een eerder artikel op Kennislink). Een combinatie van simulaties op atomaire en op grotere schaal bracht de trekspanning in beeld, zoals je kunt zien in onderstaande afbeelding.

Een computersimulatie toont een laagje silicium waar waterstof is ingebracht (lijn in het midden). De rode kleur geeft aan waar trekspanning optreedt.
Moras et al. 08-2010

Volgens de onderzoekers zullen de nieuwe inzichten helpen bij het optimaliseren van de SmartCut-technologie. Doordat nu duidelijk is hoe het allemaal werkt, kan het proces gemakkelijker bijgesteld en verbeterd worden. Daarnaast heeft het onderzoek geholpen om spanningscorrosie in andere materialen beter te begrijpen. Hierdoor kan men in de toekomst wellicht voorkomen dat bruggen instorten door mini-scheurtjes.

Literatuur

  • Moras et al., ‘Atomically Smooth Stress-Corrosion Cleavage of a Hydrogen-Implanted Crystal’, Physical Review Letters, nr.105, August 13th 2010.
  • Bruel, M., ‘Silicon on insulator material technology’, Electronic Letters, vol.31, no.14, pp.1201 – 1202, 1995.

Lees meer over chips of corrosie op Kennislink

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/roest/corrosie/chip/index.atom?m=of", “max”=>"7", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 18 augustus 2010
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.