SILICIUM UIT KWARTS IS GOEDKOOP WINBAAR VIA ELEKTRISCHE STROOM

Japanse natuurkundigen hebben een alternatieve methode ontwikkeld om silicium vrij te maken uit het mineraal silica, een verbinding van silicum en zuurstof die het hoofdbestanddeel vormt van zand en kwarts. Niet alleen zou het voor de chipsindustrie onmisbare silicium daardoor in prijs kunnen dalen, ook ontstaan er nieuwe mogelijkheden om chips te ontwerpen (Nature Materials, 18 mei).

Toshiyuki Nohira en zijn collega's van de universiteit van Kyoto ontdekten dat wanneer een elektrische stroom wordt geleid door een kwartsplaatje in een gesmolten zoutbad, de zuurstofatomen worden weggetrokken bij het silicium en oplossen in het zout. Zij denken dat dezelfde methode ook in staat is om andere elementen als zirconium, dat zich tot nu toe maar heel moeilijk aan zijn natuurlijke omgeving laat onttrekken, in zuivere vorm in handen te krijgen.

De traditionele manier van silicium produceren gaat uit van gesmolten silica. Bij een temperatuur van zo'n 1700 graden Celsius reageert dat met koolstof, waarbij silicium vrijkomt. Door dit heel langzaam te laten uitkristalliseren ontstaat het hoogzuivere silicium dat vereist is voor de fabricage van computerchips.

De Japanse onderzoekers deden het simpeler: zij dompelden een kwartsplaatje onder in een gesmolten zout van 850 graden Celsius en voerden er een elektrische stroom doorheen. Ze deden dat door een metaaldraad op één punt contact te laten maken met het kwartsoppervlak. Op dat punt werden de zuurstofatomen in het kwarts omgezet in zuurstofionen, die in het zoutbad oplosten onder achterlating van siliciumatomen. Omdat silicium de stroom geleidt, spreidt deze reactie zich cirkelvormig uit vanaf de plek waar de punt van de metaaldraad het oppervlak raakt. Het silicium dat na de reactie achterblijft is vrij bros en moet nog worden omgezet in de hoog-kristallijne vorm.

Om een computerchip te maken wordt eerst een netwerk van structuren in het silicium geëtst om vervolgens te worden `ingebed' in silica. Dit gebeurt door het silicium met zuurstof te laten reageren. Met de nu ontwikkelde methode is ook de omgekeerde reactie mogelijk, hetgeen het ontwerpen en fabriceren van computerchips makkelijker zou maken. Daarvoor is het wel essentieel dat de onderzoekers er in slagen het proces bij een lagere temperatuur te laten verlopen, omdat er anders schade zou ontstaan aan de computerchips. Bovendien mag de omzetting van silica in silicium uitsluitend in een microscopisch klein gebied plaatsvinden, waarvoor een metaaldraad met een uiterst scherpe tip nodig is.