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      揚州晶華新能源科技:更強更韌的單晶硅,克服易碎問題!

      2020-06-22
          導讀:單晶硅作為信息時代的基石,被廣泛應用于芯片制造和微電子器件當中。但是這種脆性材料,容易引發組件斷裂失效,而使器件喪失功能性。本文報道了一種新的加工流程,通過光刻蝕和表面處理以去除殘留在表面的加工損傷。這種方法加工的單晶硅強度(CRSS~4 GPa)接近理論值,彈性極限明顯升高,更為重要的是單晶硅塑性顯著提升,為加工具有高穩定性和高質量的硅結構提供了重要啟示。
      單晶硅獨特的電學性質和能帶結構,使得它作為功能部件被廣泛應用于半導體行業。同時其強度較高,也是微電子機械系統(MEMS)里重要的結構材料。但是單晶硅屬于脆性材料,這嚴重影響了其穩定性。沖擊實驗表明,移動電子設備中的硅基羅盤容易發生斷裂失效。此外,單晶硅作為功能部件,通過應變工程(strain engineering)可以有效提高硅中載流子的遷移率,提高電子器件的功效,但是單晶硅在低應變下的脆性失效成為這一應用的掣肘。因此,如何消除加工損傷,進一步提高單晶硅的性能成為急需解決的問題。同時加工過程對半導體材料在微納尺度性能的影響,也亟待解答。

      一、單晶硅精加工

          聚焦離子束切割(FIB)和光刻蝕工藝廣泛應用于半導體行業和微納加工,但是聚焦離子束切割會在晶體材料表面引入幾十納米厚的非晶層,同時在非晶層與晶體的界面之間植入大量晶格缺陷,在應力應變作用下成為裂紋增長的源頭,顯著弱化材料強度。普通光刻蝕中的干法刻蝕也會在硅的表面殘留氟硅酸鹽層、離子損傷和氧化層,這都將顯著影響外力作用下的缺陷行為,因為單晶硅表面是微納尺度下缺陷形核的重要場所。該團隊在光刻蝕之后,對單晶硅表面進行額外處理,先將被損傷的表面氧化,再侵蝕掉氧化層,以去除刻蝕導致的表面損傷(圖1)。這種流程加工的單晶硅結構,表面既沒有離子切割引入的缺陷,也沒有刻蝕導致的損傷,只有1-2納米的自然氧化層,表面質量極佳。

      圖1單晶硅微柱加工流程:光刻蝕加表面處理。

      二、優越的機械性能

      經過表面處理過的單晶硅微柱,在接下來的微觀壓縮(micro-compression)測試中表現出比其它方法制備的樣品更高的強度,其臨界剪切強度(CRSS~4 GPa)更加接近材料的理論值(圖2)。同時,彈性極限也顯著提升了67.5%,比聚焦離子束加工的單晶硅樣品提高了2040%。更為驚喜的發現是單晶硅在室溫條件下,首次在微米尺度展現出了塑性。之前的研究認為,只有將尺寸縮小到200-300納米才能觀察到單晶硅的室溫塑性,但是表面處理過的微柱在微米尺度依然達到了3%的塑性應變(圖2)。對比實驗發現,不同樣品中的缺陷的形核模式完全不同,裂紋更容易在聚離子束切割的樣品頂端形成,因為這里有缺陷聚集。而表面處理過的光刻硅當中位錯分布非常均勻(圖3),展現出表面隨機形核的特點,這樣避免了應力應變集中,同時高強度進一步提升了位錯形核率,這些因素都顯著提升了塑性。

      圖2 單晶硅微柱應力應變曲線(a)、剪切強度(b)和彈性極限(c)。

      圖3 聚離子束切割(FIB)樣品的頂端缺陷形核(a)和光刻蝕樣品的表面隨機形核(b)。

      三、尺寸調控的形變機理

      單晶硅在微米尺度的塑性,首次揭露了金剛石結構半導體中由尺寸調控的形變機理和位錯行為,納米尺寸微柱的塑性變形以全位錯為主,而當微柱的尺寸增加到微米級,由半位錯引入的納米孿晶和層錯則變得越來越多(圖4)。過去五十年當中,半導體位錯一直是研究的熱點,因為這種缺陷嚴重影響了單晶硅的電學特性和機械性能,不同種類缺陷所帶來的影響區別很大。傳統觀念認為,單晶硅當中全位錯到半位錯的轉變是溫度調控的機制,而本文首次觀察到了由尺寸調控的新機制,這使得研究人員對單晶硅的形變機理和缺陷行為又有了新的認識。

      圖4 尺寸調控的形變機理,納米尺度內為全位錯,微米尺度內則為孿晶和層錯。

      四、半導體材料加工啟示

      作為信息時代的主要材料,單晶硅是制造微電子機械系統、光電設備、能源轉換器件和生物傳感器的重要部件。本文報道的單晶硅,通過表面處理工藝進一步提升機械性能,為生產更加強健和穩定的硅基器件提供了參考和思路。此外,這種新的加工流程對其它半導體材料加工也提供了重要參考,應用前景廣泛。
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