潮科技 | 新型光刻技术解决硅材料脆性难题，MEMS陀螺仪可以变得更小、更坚固

图 | MEMS

编者按：本文来自微信公众号“MEMS”（ID：MEMSensor），作者麦姆斯咨询王懿，原文题目《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》，36氪经授权发布，略有删减。

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。

电子显微镜下的硅柱形貌

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。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16384-5