Überraschend verformbares Silizium

Seit vor sechzig Jahren der Mosfet-​Transistor erfunden wurde, der auf dem Halbleiter Silizium basiert, ist dieses chemische Element aus unserem modernen Leben nicht mehr wegzudenken.

Es ermöglichte den Siegeszug des Computers, und der Mosfet ist nunmehr das meisthergestellte Gerät der Geschichte.

Silizium ist leicht verfügbar, billig und hat ideale elektrische Eigenschaften, aber auch einen wichtigen Nachteil: Es ist sehr spröde und bricht daher leicht. Dies kann zum Problem werden, wenn man aus Silizium Mikrosysteme, also nur wenige Mikrometer grosse mechanische Geräte herstellen will, wie zum Beispiel Beschleunigungssensoren in modernen Handys.

An der ETH Zürich hat ein Team unter Leitung von Jeffrey Wheeler, Senior Scientist im Labor für Nanometallurgie, gemeinsam mit Kollegen des Labors für die Mechanik von Materialien und Nanostrukturen an der Empa gezeigt, dass Silizium unter bestimmten Bedingungen viel widerstandsfähiger und verformbarer sein kann, als man bisher gedacht hatte. Ihre Ergebnisse wurden jüngst im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.

Zehnjährige Fleissarbeit

«Das ist das Ergebnis einer zehnjährigen Fleissarbeit», sagt Wheeler, der vor seiner Karriere an der ETH bei der Empa in Thun forschte. Um zu verstehen, wie kleinste Strukturen aus Silizium sich verformen können, nahm er im Rahmen eines SNF-​Projekts eine weit verbreite Herstellungsmethode genauer unter die Lupe: den gebündelten Ionenstrahl.

Ein solcher Strahl aus geladenen Teilchen kann sehr effektiv gewünschte Formen in eine Siliziumscheibe fräsen, hinterlässt dabei aber auch deutliche Spuren in Form von Oberflächenschäden und -​defekten, die das Material leichter brechen lassen.

Lithographie mit Endreinigung

Wheeler und seine Mitarbeiter hatten die Idee, alternativ zur Ionenstrahl-​Methode eine spezielle Form der Lithographie auszuprobieren.

«Zuerst stellten wir die gewünschten Strukturen – in unserem Fall winzige Säulen – her, indem wir mit einem Gasplasma das nicht von einer Maske bedeckte Material von einer Siliziumoberfläche wegätzten», erklärt Ming Chen, ein ehemaliger Doktorand aus Wheelers Arbeitsgruppe.

In einem weiteren Schritt wird die Oberfläche der teils weniger als hundert Nanometer breiten Säulen zunächst oxidiert und dann gereinigt, indem die Oxidschicht mit einer starken Säure restlos entfernt wird.

Anschliessend untersuchte Chen mit einem Elektronenmikroskop die Festigkeit und plastische Verformbarkeit von verschieden breiten Siliziumsäulen und verglich die beiden Herstellungsmethoden miteinander. Dazu drückte er einen winzigen Diamantstempel in die Säulen hinein und beobachtete deren Verformungsverhalten unter dem Elektronmikroskop.

Frappierende Ergebnisse

Die Ergebnisse waren frappierend: Die mit einem Ionenstrahl gefrästen Säulen brachen schon bei einer Breite von weniger als einem halben Mikrometer ein. Bei den per Lithographie-​​Verfahren hergestellten Säulen dagegen kam es erst bei Breiten über vier Mikrometern zu Sprödbrüchen, dünnere Exemplare konnten der Belastung aber weitgehend widerstehen.

«Diese lithographischen Siliziumsäulen sind noch verformbar selbst bei zehnfach grösseren Dimensionen, als wir sie bei mit Plasma gefrästem Silizium mit derselben Kristallrichtung beobachten konnten – und das bei doppelter Festigkeit!», fasst Wheeler die Ergebnisse seiner Experimente zusammen.

Die Festigkeit der lithografisch erzeugten Säulen erreichte sogar Werte, die man sich eigentlich nur theoretisch, also für ideale Kristalle, erwarten würde. Der Clou, so Wheeler, liegt in der absoluten Reinheit der Säulenoberflächen, die mit der abschliessenden Reinigung erreicht wird.

Dadurch bleiben wesentlich weniger Oberflächendefekte übrig, von denen ein Bruch im Material ausgehen kann. Mit Unterstützung von Alla Sologubenko, einer Forscherin am Mikroskopie-​​Zentrum ScopeM der ETH, konnten die Forscher dank dieser zusätzlichen Verformbarkeit auch eine auffällige Änderung der Verformungsmechanismen bei kleinen Dimensionen beobachten. Dies brachte neue Details zur Verformung von Silizium ans Licht.

Anwendungen in Handys

Die Resultate der ETH-​​Forschenden könnten sich direkt auf die Herstellung von Silizium-​​Mikrosystemen auswirken, meint Wheeler: «In Handys eingesetzte Gyroskope, die Drehungen des Gerätes nachweisen, könnten so noch kleiner und robuster werden.» Das sollte nicht allzu schwierig zu realisieren sein, da die Industrie bereits jetzt die von Wheeler und Kollegen untersuchte kombinierte Ätz-​​ und Reinigungsmethode verwendet.

Diese sollte auch für andere Materialien mit ähnlicher Kristallstruktur wie der von Silizium anwendbar sein, vermuten die Forscher. Zudem könnte man mit elastischerem Silizium auch dessen elektrische Eigenschaften für bestimmte Anwendungen weiter verbessern.

Durch eine starke Verspannung des Halbleiters kann nämlich die Beweglichkeit seiner Elektronen erhöht werden, wodurch sich beispielsweise kürzere Schaltzeiten erreichen lassen. Während dazu bislang Nanodrähte hergestellt werden mussten, könnte man dies nun direkt mit im Halbleiterchip integrierten Strukturen schaffen.

Wheeler, Jeffrey, Dr.

ETH Zürich

Dep. Materialwissenschaft

+41 44 633 28 63
(Sec.)+41 44 633 28 63
jeff.wheeler@mat.ethz.ch

Chen, M., Pethö, L., Sologubenko, A.S. et al. Achieving micron-scale plasticity and theoretical strength in Silicon. Nat Commun 11, 2681 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-16384-5