Je leest:

Silicium met superdiepe nanoporiën sluit licht uit

Silicium met superdiepe nanoporiën sluit licht uit

Onderzoekers van het MESA + Instituut voor Nanotechnologie van Universiteit Twente, het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam en chipmachinefabrikant ASML hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor het maken van nanoporiën in silicium. Zo zijn ze er in geslaagd nanoporiën met een recorddiepte te maken. Deze nieuwe structuren zijn bijvoorbeeld toe te passen in chemische sensoren en als condensator in hoge-frequentie elektronica. Omdat de ontwikkelde methode compatibel is met de techniek die de industrie nu al gebruikt, is integratie van de nieuwe structuren in siliciumchips mogelijk. De onderzoekers publiceren de resultaten op 9 april aanstaande in het toonaangevende Britse tijdschrift Nanotechnology.

Het succes van de computer- en communicatie-industrie is mogelijk omdat men grote hoeveelheden chips kan produceren. Machines gebruiken routinematig siliciumplakken zo groot als langspeelplaten (ook wel wafers genoemd) waarop een veelheid van dezelfde micro- en nanostructuren worden gemaakt. Dit gebeurt met Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) technologie. Hoe kleiner de structuren, hoe meer informatie een chip aankan. Een moderne uitdaging is om elektronische chips te combineren met optische communicatie, omdat dan enorme informatiedichtheden kunnen worden vervoerd. Hiervoor is het nodig om fabricage van chips geschikt te maken voor optische structuren, in het bijzonder voor ruimtelijk regelmatig geordende nanostructuren in silicium.

Nieuwe methode

Onderzoekers van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van Universiteit Twente, het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam en ASML, wereldleider in lithografiesystemen voor de halfgeleiderindustrie, hebben nu een nieuwe methode ontwikkeld voor het fabriceren van matrices van nanoporiën in silicium. De onderzoekers brachten de gewenste structuren aan in een fotogevoelige lak door middel van zogenaamde diep-ultraviolet ‘step-and-scan’ lithografie, die is ontwikkeld door ASML. De lak verandert onder invloed van UV-licht en diende als masker: afgedekt silicium blijft over en niet-afgedekt silicium wordt verwijderd door etsen. Vervolgens hebben de onderzoekers het plasma-etsproces dat de industrie routinematig gebruikt, grondig aangepast voor het maken van zeer diepe nanoporiën.

Foto, gemaakt met de scanning elektronenmicroscoop, van een matrix van nanoporiën. Deze is gemaakt met ultraviolet lithografie. De diameter van de gaatjes in het patroon bedraagt 462 nanometer. De afstand tussen de gaatjes bedraagt 600 nanometer. Het witte schaalbalkje heeft een lengte van 1 micrometer. Beeld: FOM

Zo slaagden de onderzoekers er in om een aspect ratio van meer dan 16 te halen, een wereldrecord. De aspect ratio is de verhouding tussen de diepte van de porie en de diameter, een belangrijke maat voor dit soort nanoporiën. De nanoporiën hebben een diepte tot 8 micrometer (1 micrometer is één miljoenste meter) en een diameter van 310 tot 515 nanometer (1 nanometer is één duizendste van een miljoenste meter). Afstanden tussen de poriën variëren van 440 tot 750 nanometer. De onderzoekers ontdekten dat het beperken van ongewenst etsen van de zijwanden tijdens het etsproces de cruciale factor is waardoor ze de grote diepte konden bereiken.

De foto toont een doorsnede van diepe poriën. Deze zijn geëtst met het ontwikkelde plasmaproces. De poriën hebben een diameter van 423 nanometer. De verhouding tussen diameter en diepte is hoog: 15,2. De onregelmatigheid rechts in de figuur is een gevolg van het breken van het monster. Het witte schaalbalkje heeft een lengte van 1 micrometer. Beeld: FOM

Toepassingen

De nanostructuren maken vele interessante toepassingen mogelijk. Optische reflectiemetingen toonden aan dat de nieuwe structuren zich als kwalitatief zeer goede fotonische kristallen gedragen. Een fotonisch kristal is een sterk geordende nanostructuur, dat werkt als een spiegelpaleis voor fotonen. Door interferentie-effecten is voortplanting van licht met bepaalde kleuren in veel richtingen onmogelijk. Het verboden kleurengebied noemt men de fotonische ‘gap’.

Met de beschikbaarheid van deze diepe nanoporiën met een breed scala aan diameters, komt een driedimensionaal fotonisch kristal dichterbij. Hiermee kan men fotonen op een ultieme manier sturen. Bovendien is het belangrijk om de nanostructuren zo diep mogelijk te maken om een fotonisch kristal met een groot volume te verkrijgen. De geproduceerde siliciumstructuren hebben intense reflectiviteit bij golflengtes 1330 en 1550 nanometer en zijn daarmee interessant voor de telecommunicatie-industrie. Andere toepassingen zijn chemische sensoren en condensatoren in hoge-frequentie elektronica voor bijvoorbeeld mobiele telefoons.

Het kunnen gebruiken van dergelijke structuren in bestaande siliciumchips is zeer interessant. De compatibiliteit van het fabricageproces met bestaande CMOS-technologie maakt de integratie van optische structuren in silicium chips, samen met elektronica, mogelijk. Ook kan men met dit soort structuren snel optisch schakelen.

Het onderzoeksteam

Léon Woldering is een promovendus in de groep Complex Photonic Systems (COPS) aan de Universiteit Twente. Willem Tjerkstra en Henri Jansen zijn onderzoekers aan het MESA+ Instituut aan de Universiteit Twente. Irwan Setija is senior researcher bij ASML in Veldhoven. Willem Vos is groepsleider bij AMOLF in Amsterdam en professor aan de Universiteit Twente. Dit onderzoek is ondersteund door NanoNed/STW, FOM en NWO.

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 02 april 2008
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.