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新型光刻技术解决硅材料脆性难题,MEMS机械性能极限有望突破

网络 2020-07-06


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据麦姆斯咨询介绍,硅材料从大自然常见的沙子中取材,成本低、产量大,因此被广泛用作MEMS器件的衬底材料,并被誉为信息时代的“骨干”材料。但是,硅在常温环境下的脆性限制了MEMS的许多机械性能。苏黎世联邦理工学院(ETH)与瑞士国家联邦实验室(EMPA)材料与纳米结构力学实验室合作完成的新研究表明,在特定的受控条件下,硅可以成为又容易变形又坚固的材料。此项功能特性的增强将有助于解决MEMS机械性能极限难题。

历经十年的研究成果

联合小组经过长达十年的研究,重点是采用光刻工艺替代聚焦离子束(FIB)工艺来完成在硅晶圆上的结构制作。FIB虽然可以实现硅晶圆结构,但会对硅表面造成损伤并产生缺陷,硅晶圆开裂的风险较高。

为了找到替代方案,研究团队尝试了一套特殊光刻技术。“首先,我们使用等离子体气体刻蚀硅表面无光刻胶保护的区域,从而获得我们所需的结构——微型硅柱。”该研究小组负责人Jeff Wheeler的学生Ming Cheng解释说,“在接下来的工艺步骤中,硅柱表面被氧化,氧化层厚度小于100 nm,再用氟化氢(HF)完全去除氧化层,完成表面清洁。”

研究团队对硅柱的强度和塑性变形能力进行了测试,称已经达到了超高的弹性应变极限和接近完美的强度——用光刻技术制作的硅柱变形能力是过去研究记录的十倍以上。

左图为硅柱制造流程示意图,右图为电子显微镜下的硅柱形貌展示

在电子显微镜下观察不同直径尺寸的硅柱

实现“绝对纯度”,接近理论水平的坚固度

研究结果表明不仅硅柱的变形能力比过去增强了十倍,强度也达到了以往认知中只有理想晶体才能达到的理论水平。根据Wheeler介绍,硅柱如此坚固的原因来自硅柱表面的“绝对纯度”,这是通过最后的清洁步骤实现的。该工艺大大减少了会导致硅材料开裂的表面缺陷数量。

采用光刻工艺完成的硅柱(实线)和FIB工艺完成的硅柱(虚线)在恒定应变速率为5 × 10⁻⁴ s⁻1变化下的应力曲线对比

Wheeler还指出,团队的研究结果可能会对硅基MEMS制造产生直接而深刻的影响:“通过这种工艺,有望将智能手机中的MEMS陀螺仪做得更小、更坚固。”

Wheeler及其团队研究的工艺方法已经被业界采用,用于改善现有工艺,以及晶体结构与硅类似的其它材料性能。

该项研究带来的另一个优点是可以改善材料的电性能。对硅施加较大的应力可以改善电子迁移率,将该结构集成到半导体芯片中可以缩短开关时间。



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