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扬州晶华新能源科技:更强更韧的单晶硅,克服易碎问题!

2020-06-22
    导读:单晶硅作为信息时代的基石,被广泛应用于芯片制造和微电子器件当中。但是这种脆性材料,容易引发组件断裂失效,而使器件丧失功能性。本文报道了一种新的加工流程,通过光刻蚀和表面处理以去除残留在表面的加工损伤。这种方法加工的单晶硅强度(CRSS~4 GPa)接近理论值,弹性极限明显升高,更为重要的是单晶硅塑性显著提升,为加工具有高稳定性和高质量的硅结构提供了重要启示。
单晶硅独特的电学性质和能带结构,使得它作为功能部件被广泛应用于半导体行业。同时其强度较高,也是微电子机械系统(MEMS)里重要的结构材料。但是单晶硅属于脆性材料,这严重影响了其稳定性。冲击实验表明,移动电子设备中的硅基罗盘容易发生断裂失效。此外,单晶硅作为功能部件,通过应变工程(strain engineering)可以有效提高硅中载流子的迁移率,提高电子器件的功效,但是单晶硅在低应变下的脆性失效成为这一应用的掣肘。因此,如何消除加工损伤,进一步提高单晶硅的性能成为急需解决的问题。同时加工过程对半导体材料在微纳尺度性能的影响,也亟待解答。

一、单晶硅精加工

    聚焦离子束切割(FIB)和光刻蚀工艺广泛应用于半导体行业和微纳加工,但是聚焦离子束切割会在晶体材料表面引入几十纳米厚的非晶层,同时在非晶层与晶体的界面之间植入大量晶格缺陷,在应力应变作用下成为裂纹增长的源头,显著弱化材料强度。普通光刻蚀中的干法刻蚀也会在硅的表面残留氟硅酸盐层、离子损伤和氧化层,这都将显著影响外力作用下的缺陷行为,因为单晶硅表面是微纳尺度下缺陷形核的重要场所。该团队在光刻蚀之后,对单晶硅表面进行额外处理,先将被损伤的表面氧化,再侵蚀掉氧化层,以去除刻蚀导致的表面损伤(图1)。这种流程加工的单晶硅结构,表面既没有离子切割引入的缺陷,也没有刻蚀导致的损伤,只有1-2纳米的自然氧化层,表面质量极佳。

图1单晶硅微柱加工流程:光刻蚀加表面处理。

二、优越的机械性能

经过表面处理过的单晶硅微柱,在接下来的微观压缩(micro-compression)测试中表现出比其它方法制备的样品更高的强度,其临界剪切强度(CRSS~4 GPa)更加接近材料的理论值(图2)。同时,弹性极限也显著提升了67.5%,比聚焦离子束加工的单晶硅样品提高了2040%。更为惊喜的发现是单晶硅在室温条件下,首次在微米尺度展现出了塑性。之前的研究认为,只有将尺寸缩小到200-300纳米才能观察到单晶硅的室温塑性,但是表面处理过的微柱在微米尺度依然达到了3%的塑性应变(图2)。对比实验发现,不同样品中的缺陷的形核模式完全不同,裂纹更容易在聚离子束切割的样品顶端形成,因为这里有缺陷聚集。而表面处理过的光刻硅当中位错分布非常均匀(图3),展现出表面随机形核的特点,这样避免了应力应变集中,同时高强度进一步提升了位错形核率,这些因素都显著提升了塑性。

图2 单晶硅微柱应力应变曲线(a)、剪切强度(b)和弹性极限(c)。

图3 聚离子束切割(FIB)样品的顶端缺陷形核(a)和光刻蚀样品的表面随机形核(b)。

三、尺寸调控的形变机理

单晶硅在微米尺度的塑性,首次揭露了金刚石结构半导体中由尺寸调控的形变机理和位错行为,纳米尺寸微柱的塑性变形以全位错为主,而当微柱的尺寸增加到微米级,由半位错引入的纳米孪晶和层错则变得越来越多(图4)。过去五十年当中,半导体位错一直是研究的热点,因为这种缺陷严重影响了单晶硅的电学特性和机械性能,不同种类缺陷所带来的影响区别很大。传统观念认为,单晶硅当中全位错到半位错的转变是温度调控的机制,而本文首次观察到了由尺寸调控的新机制,这使得研究人员对单晶硅的形变机理和缺陷行为又有了新的认识。

图4 尺寸调控的形变机理,纳米尺度内为全位错,微米尺度内则为孪晶和层错。

四、半导体材料加工启示

作为信息时代的主要材料,单晶硅是制造微电子机械系统、光电设备、能源转换器件和生物传感器的重要部件。本文报道的单晶硅,通过表面处理工艺进一步提升机械性能,为生产更加强健和稳定的硅基器件提供了参考和思路。此外,这种新的加工流程对其它半导体材料加工也提供了重要参考,应用前景广泛。
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