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。
近日，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）Ralph Spolenak教授课题组联合瑞士国立材料科技研究所（Empa, Thun）Johann Michler博士课题组报道了经过表面处理的单晶硅，在微米和纳米尺度展现优越的机械性能，此外还观察到了全新的由尺寸调控的形变机理和缺陷行为。相关论文以题为“Achievingmicron-scale plasticity and theoretical strength in Silicon”于5月29日发表在Nature Communications上。ETH材料系博士生陈铭为第一作者，课题组组长Jeffrey M.Wheeler博士为通讯作者，Empa研究员马欢博士参与合作。
论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-020-16384-5
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。（文：双雄）
《福 利》
[1] M.Chen, J. Wehrs, A.S. Sologubenko, J. Rabier, J. Michler, J.M. Wheeler. Size-dependent plasticity and activation parameters oflithographically-produced silicon micropillars, Materials & Design (2020) 108506.
[2] M. Chen, J.P. Best, I. Shorubalko, J. Michler, R. Spolenak, J.M.Wheeler. Influence of helium ion irradiation on the structure and strength ofdiamond, Carbon (2019).
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