Wat zou een eenvoudige techniek zijn om dunne lagen te verwijderen van anders dikke, stijve halfgeleiderkristallen betekenen voor de halfgeleiderindustrie? Dit concept wordt al jaren actief verkend, omdat geïntegreerde schakelingen gemaakt op dunne lagen veelbelovend zijn voor ontwikkelingen, waaronder verbeterde thermische eigenschappen, lichtgewicht stapelbaarheid en een hoge mate van flexibiliteit in vergelijking met conventioneel dikke substraten.

In een aanzienlijke vooruitgang, een onderzoeksgroep van IBM heeft met succes hun nieuwe "gecontroleerde spalling" -laagoverdrachtstechniek toegepast op galliumnitride (GaN) -kristallen, een gangbaar halfgeleidermateriaal, en creëerde een pad voor het produceren van vele lagen uit een enkel substraat.

Zoals ze rapporteren in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde , gecontroleerd afspatten kan worden gebruikt om dunne lagen te produceren van dikke GaN-kristallen zonder kristallijne schade te veroorzaken. De techniek maakt het ook mogelijk om fysieke basiseigenschappen van het materiaalsysteem te meten, zoals door spanning veroorzaakte optische effecten en breuktaaiheid, die anders moeilijk te meten zijn.

Single-crystal GaN-wafels zijn extreem duur, waar slechts één 2-inch wafer duizenden dollars kan kosten, dus meer lagen hebben betekent meer waarde uit elke wafer halen. Dunnere lagen bieden ook prestatievoordelen voor vermogenselektronica, omdat het een lagere elektrische weerstand biedt en warmte gemakkelijker te verwijderen is.

"Onze benadering van het verwijderen van dunne lagen is intrigerend omdat het gebaseerd is op breuk, " zei Stephen W. Bedell, onderzoeksmedewerker bij IBM Research en een van de auteurs van het artikel. "Eerst, we brengen eerst een nikkellaagje aan op het oppervlak van het materiaal dat we willen verwijderen. Deze nikkellaag staat onder treksterkte, denk aan drumvel. Dan rollen we gewoon een laag tape op het nikkel, houd het substraat naar beneden zodat het niet kan bewegen, en trek dan de tape eraf. Wanneer we dit doen, de gespannen nikkellaag creëert een scheur in het onderliggende materiaal dat naar beneden gaat in het substraat en dan evenwijdig aan het oppervlak reist."

Hun methode komt neer op het simpelweg afpellen van de tape, nikkellaag en een dunne laag van het substraatmateriaal kleefde aan het nikkel.

"Een goede analogie van hoe opmerkelijk dit proces is, kan worden gemaakt met een ruit, "Zei Bedell. "We breken het glas in de lange richting, dus in plaats van een stel gebroken glasscherven, we hebben twee volle glasplaten over. We kunnen bepalen hoeveel van het oppervlak wordt verwijderd door de dikte van de nikkellaag aan te passen. Omdat het hele proces bij kamertemperatuur gebeurt, we kunnen dit zelfs doen op afgewerkte circuits en apparaten, waardoor ze flexibel zijn."

Het werk van de groep is om meerdere redenen opmerkelijk. Voor starters, het is verreweg de eenvoudigste methode om dunne lagen van dikke substraten over te brengen. En het is misschien wel de enige methode voor het overbrengen van lagen die materieel agnostisch is.

"We hebben de overdracht van silicium al aangetoond, germanium, galliumarsenide, galliumnitride/saffier, en zelfs amorfe materialen zoals glas, en het kan op bijna elk moment in de fabricagestroom worden toegepast, van uitgangsmaterialen tot gedeeltelijk of volledig afgewerkte circuits, ' zei Bedel.

Van een melkstaltruc een betrouwbaar proces maken, werken om ervoor te zorgen dat deze aanpak een consistente techniek zou zijn voor scheurvrije overdracht, zorgde voor verrassingen onderweg.

"Het basismechanisme van het afbrokkelen van het substraat begon als een materiaalwetenschappelijk probleem, " zei hij. "Het was bekend dat afzetting van metaalfilm vaak zou leiden tot scheuren van het onderliggende substraat, wat als een slechte zaak wordt beschouwd. Maar we ontdekten dat dit een metastabiel fenomeen was, wat betekent dat we een voldoende dikke laag zouden kunnen afzetten om het substraat te kraken, maar dun genoeg zodat het niet vanzelf barst - het had alleen een scheur nodig om te beginnen."

Hun volgende ontdekking was hoe de scheurinitiatie consistent en betrouwbaar kon worden gemaakt. Hoewel er veel manieren zijn om een ​​scheurlaser te genereren, chemisch etsen, thermisch, mechanisch, enz. - het blijkt dat de eenvoudigste manier, volgens Bedell, is het zeer abrupt beëindigen van de dikte van de nikkellaag nabij de rand van het substraat.

"Dit creëert een grote spanningsdiscontinuïteit aan de rand van de nikkelfilm, zodat zodra de tape is aangebracht, een klein trekje aan de tape veroorzaakt consequent de scheur in dat gebied, " hij zei.

Hoewel het misschien niet duidelijk is, galliumnitride is een essentieel materiaal voor ons dagelijks leven. Het is het onderliggende materiaal dat wordt gebruikt om blauw te fabriceren, en nu wit, LED's (waarvoor in 2014 de Nobelprijs voor natuurkunde werd toegekend) en voor high-power, hoogspannings elektronica. Het kan ook nuttig zijn voor inherente biocompatibiliteit, die, in combinatie met controleversplintering, ultradunne bio-elektronica of implanteerbare sensoren mogelijk maakt.

"Gecontroleerd afspatten is al gebruikt om extreem lichtgewicht, zeer efficiënte op GaAs gebaseerde zonnecellen voor ruimtevaarttoepassingen en flexibele geavanceerde circuits, ' zei Bedel.

De groep werkt nu samen met onderzoekspartners om GaN-apparaten met hoog voltage te fabriceren met behulp van deze aanpak. "We hebben ook geweldige interactie gehad met veel van de GaN-technologieleiders via het ARPA-E SWITCHES-programma van het Department of Energy en hopen gecontroleerde spalling te gebruiken om nieuwe apparaten mogelijk te maken door toekomstige partnerschappen, ' zei Bedel.