硅材料從大自然常見(jiàn)的沙子中取材，成本低、產(chǎn)量大，因此被廣泛用作MEMS器件的襯底材料，并被譽(yù)為信息時(shí)代的“骨干”材料。但是，硅在常溫環(huán)境下的脆性限制了MEMS的許多機(jī)械性能。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）與瑞士國(guó)家聯(lián)邦實(shí)驗(yàn)室（EMPA）材料與納米結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室合作完成的新研究表明，在特定的受控條件下，硅可以成為又容易變形又堅(jiān)固的材料。此項(xiàng)功能特性的增強(qiáng)將有助于解決MEMS機(jī)械性能極限難題。

電子顯微鏡下的硅柱形貌

歷經(jīng)十年的研究成果

聯(lián)合小組經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)十年的研究，重點(diǎn)是采用光刻工藝替代聚焦離子束（FIB）工藝來(lái)完成在硅晶圓上的結(jié)構(gòu)制作。FIB雖然可以實(shí)現(xiàn)硅晶圓結(jié)構(gòu)，但會(huì)對(duì)硅表面造成損傷并產(chǎn)生缺陷，硅晶圓開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)較高。

為了找到替代方案，研究團(tuán)隊(duì)嘗試了一套特殊光刻技術(shù)?！笆紫龋覀兪褂玫入x子體氣體刻蝕硅表面無(wú)光刻膠保護(hù)的區(qū)域，從而獲得我們所需的結(jié)構(gòu)——微型硅柱。”該研究小組負(fù)責(zé)人Jeff Wheeler的學(xué)生Ming Cheng解釋說(shuō)，“在接下來(lái)的工藝步驟中，硅柱表面被氧化，氧化層厚度小于100 nm，再用氟化氫（HF）完全去除氧化層，完成表面清潔?！?

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)硅柱的強(qiáng)度和塑性變形能力進(jìn)行了測(cè)試，稱(chēng)已經(jīng)達(dá)到了超高的彈性應(yīng)變極限和接近完美的強(qiáng)度——用光刻技術(shù)制作的硅柱變形能力是過(guò)去研究記錄的十倍以上。

左圖為硅柱制造流程示意圖，右圖為電子顯微鏡下的硅柱形貌展示

在電子顯微鏡下觀察不同直徑尺寸的硅柱

實(shí)現(xiàn)“絕對(duì)純度”，接近理論水平的堅(jiān)固度

研究結(jié)果表明不僅硅柱的變形能力比過(guò)去增強(qiáng)了十倍，強(qiáng)度也達(dá)到了以往認(rèn)知中只有理想晶體才能達(dá)到的理論水平。根據(jù)Wheeler介紹，硅柱如此堅(jiān)固的原因來(lái)自硅柱表面的“絕對(duì)純度”，這是通過(guò)最后的清潔步驟實(shí)現(xiàn)的。該工藝大大減少了會(huì)導(dǎo)致硅材料開(kāi)裂的表面缺陷數(shù)量。

采用光刻工藝完成的硅柱（實(shí)線）和FIB工藝完成的硅柱（虛線）在恒定應(yīng)變速率為5 × 10?? s?1變化下的應(yīng)力曲線對(duì)比

Wheeler還指出，團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果可能會(huì)對(duì)硅基MEMS制造產(chǎn)生直接而深刻的影響：“通過(guò)這種工藝，有望將智能手機(jī)中的MEMS陀螺儀做得更小、更堅(jiān)固。”

Wheeler及其團(tuán)隊(duì)研究的工藝方法已經(jīng)被業(yè)界采用，用于改善現(xiàn)有工藝，以及晶體結(jié)構(gòu)與硅類(lèi)似的其它材料性能。

該項(xiàng)研究帶來(lái)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以改善材料的電性能。對(duì)硅施加較大的應(yīng)力可以改善電子遷移率，將該結(jié)構(gòu)集成到半導(dǎo)體芯片中可以縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間。