Onderzoekers van ETH en Empa hebben aangetoond dat kleine objecten gemaakt kunnen worden van silicium die veel meer vervormbaar en sterker zijn dan eerder werd gedacht. Op deze manier, sensoren in smartphones kunnen kleiner en robuuster worden gemaakt.

Sinds de uitvinding van de MOSFET-transistor zestig jaar geleden, het chemische element silicium waarop het is gebaseerd, is een integraal onderdeel geworden van het moderne leven. Het luidde het computertijdperk in, en inmiddels is de MOSFET het meest geproduceerde apparaat in de geschiedenis geworden. Silicium is gemakkelijk verkrijgbaar, goedkoop, en heeft ideale elektrische eigenschappen, maar ook een belangrijk nadeel:het is erg broos en daarom, breekt gemakkelijk. Dit kan een probleem worden bij het maken van micro-elektromechanische systemen (MEMS) van silicium, zoals de versnellingssensoren in moderne smartphones.

Bij ETH in Zürich, een team onder leiding van Jeff Wheeler, Senior wetenschapper bij het Laboratorium voor Nanometallurgie, samen met collega's van het Laboratorium voor Mechanica van Materialen en Nanostructuren bij Empa, heeft aangetoond dat, onder bepaalde omstandigheden, silicium kan veel sterker en meer vervormbaar zijn dan eerder werd gedacht. Hun resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie .

Tien jaar inspanning

"Dit is het resultaat van een inspanning van tien jaar, " zegt Wheeler, die voorafgaand aan zijn carrière bij ETH als onderzoeker bij Empa heeft gewerkt. Om te begrijpen hoe kleine siliciumstructuren kunnen vervormen, in het kader van een SNF-project, hij nam een ​​veelgebruikte productiemethode onder de loep:de gefocusseerde ionenbundel. Zo'n bundel geladen deeltjes kan zeer effectief gewenste vormen in een siliciumwafel frezen, maar laat daarbij duidelijke sporen achter in de vorm van oppervlaktebeschadigingen en defecten, waardoor het materiaal gemakkelijker breekt.

Wheeler en zijn medewerkers kwamen op het idee om een ​​bepaald type lithografie te proberen als alternatief voor de ionenbundelmethode. "Eerst, we produceren de gewenste structuren - in ons geval minuscule pilaren - door ongemaskeerd materiaal weg te etsen van de gebieden van het siliciumoppervlak met behulp van een gasplasma, " legt Ming Chen uit, een voormalig Ph.D. student in de groep van Wheeler. In een volgende stap, het oppervlak van de pilaren, waarvan sommige smaller zijn dan honderd nanometer, worden eerst geoxideerd en vervolgens gereinigd door de oxidelaag volledig te verwijderen met een sterk zuur.

Chen bestudeerde vervolgens de sterkte en plastische vervormbaarheid van siliciumpilaren van verschillende breedtes met een elektronenmicroscoop en vergeleek de twee productiemethoden. Daartoe, hij drukte een klein diamantje in de pilaren en bestudeerde hun vervormingsgedrag in de elektronenmicroscoop.

Opvallende resultaten

De resultaten waren opvallend:de pilaren die met een ionenbundel waren gefreesd, stortten in op een breedte van nog geen halve micrometer. Daarentegen, de door lithografie geproduceerde pilaren vertoonden alleen brosse breuken bij een breedte van meer dan vier micrometer, terwijl dunnere pilaren de belasting veel beter konden weerstaan. "Deze lithografische siliciumpilaren kunnen vervormen met afmetingen die tien keer groter zijn dan wat we hebben gezien in met ionenbundels bewerkt silicium met dezelfde kristaloriëntatie, met dubbele kracht!" zegt Wheeler, de resultaten van zijn experimenten samenvattend.

De sterkte van de lithografisch vervaardigde pilaren bereikte zelfs waarden die men alleen in theorie zou verwachten, voor ideale kristallen. Wat maakt hier het verschil, zegt Wheeler, is de absolute zuiverheid van de oppervlakken van de pilaren, die wordt bereikt door de laatste reinigingsstap. Dit resulteert in een veel kleiner aantal oppervlaktedefecten waaruit een breuk zou kunnen ontstaan. Met de hulp van Alla Sologubenko, een onderzoeker bij het microscopiecentrum ScopeM bij ETH, deze extra vervormbaarheid stelde het team ook in staat om een ​​opvallende verandering in vervormingsmechanismen bij kleinere maten waar te nemen. Dit onthulde nieuwe details over hoe silicium kan vervormen.

Toepassingen op smartphones

De resultaten verkregen door ETH-onderzoekers kunnen een onmiddellijke impact hebben op de fabricage van silicium-MEMS, Wheeler zegt:"Op deze manier, de gyroscopen die in smartphones worden gebruikt, die rotaties van het apparaat detecteren, nog kleiner en robuuster kunnen worden gemaakt."

Dat zou niet al te moeilijk moeten zijn om te beseffen, aangezien de industrie de combinatie van etsen en schoonmaken al gebruikt, onderzochten Wheeler en zijn collega's. De methode kan ook worden toegepast op andere materialen met kristalstructuren die vergelijkbaar zijn met die van silicium, geloven de onderzoekers. Bovendien, Ook zou meer elastisch silicium kunnen worden gebruikt om de elektrische eigenschappen van het materiaal voor bepaalde toepassingen verder te verbeteren. Door een grote spanning van de halfgeleider toe te passen, kan de mobiliteit van zijn elektronen worden vergroot, die kan leiden, bijvoorbeeld, tot kortere schakeltijden. Tot dusver, men moest nanodraden maken om dat te bereiken, maar nu zou dit rechtstreeks kunnen worden gedaan met behulp van structuren die zijn geïntegreerd in een halfgeleiderchip.