ETH Zürich Überraschend verformbares Silizium

Wenige Mikrometer grosse Siliziumsäulen unter dem Elektronenmikroskop: Solche Strukturen machen das Material elastischer.
Wenige Mikrometer grosse Siliziumsäulen unter dem Elektronenmikroskop: Solche Strukturen machen das Material elastischer.

Forscher der ETH Zürich haben gezeigt, dass man aus Silizium kleinste Objekte herstellen kann, die deutlich fester und verformbarer sind als bisher gedacht. Das könnte sich direkt auf die Herstellung von Silizium-Mikrosystemen auswirken und etwa Sensoren in Handys kleiner und robuster werden lassen.

Seit vor sechzig Jahren der MOSFET-Transistor erfunden wurde, der auf dem Halbleiter Silizium basiert, ist dieses chemische Element aus unserem modernen Leben nicht mehr wegzudenken. Es ermöglichte den Siegeszug des Computers, und der MOSFET ist nunmehr das meisthergestellte Gerät der Geschichte. Silizium ist leicht verfügbar, billig und hat ideale elektrische Eigenschaften, aber auch einen wichtigen Nachteil: Es ist sehr spröde und bricht daher leicht. Dies kann zum Problem werden, wenn man aus Silizium Mikrosysteme, also nur wenige Mikrometer große mechanische Geräte herstellen will, wie zum Beispiel Beschleunigungssensoren in modernen Handys.

An der ETH Zürich hat ein Team unter Leitung von Jeffrey Wheeler, Senior Scientist im Labor für Nanometallurgie, gemeinsam mit Kollegen des Labors für die Mechanik von Materialien und Nanostrukturen an der Empa gezeigt, dass Silizium unter bestimmten Bedingungen viel widerstandsfähiger und verformbarer sein kann, als man bisher gedacht hatte. 

Um zu verstehen, wie kleinste Strukturen aus Silizium sich verformen können, nahm Wheeler im Rahmen eines SNF-Projekts eine weit verbreite Herstellungsmethode genauer unter die Lupe: den gebündelten Ionenstrahl. Ein solcher Strahl aus geladenen Teilchen kann sehr effektiv gewünschte Formen in eine Siliziumscheibe fräsen, hinterlässt dabei aber auch deutliche Spuren in Form von Oberflächenschäden und -defekten, die das Material leichter brechen lassen.

Lithographie mit Endreinigung

Wheeler und seine Mitarbeiter hatten die Idee, alternativ zur Ionenstrahl-Methode eine spezielle Form der Lithographie auszuprobieren. »Zuerst stellten wir die gewünschten Strukturen – in unserem Fall winzige Säulen – her, indem wir mit einem Gasplasma das nicht von einer Maske bedeckte Material von einer Siliziumoberfläche wegätzten«, erklärt Ming Chen, ein ehemaliger Doktorand aus Wheelers Arbeitsgruppe. In einem weiteren Schritt wird die Oberfläche der teils weniger als hundert Nanometer breiten Säulen zunächst oxidiert und dann gereinigt, indem die Oxidschicht mit einer starken Säure restlos entfernt wird.

Anschließend untersuchte Chen mit einem Elektronenmikroskop die Festigkeit und plastische Verformbarkeit von verschieden breiten Siliziumsäulen und verglich die beiden Herstellungsmethoden miteinander. Dazu drückte er einen winzigen Diamantstempel in die Säulen hinein und beobachtete deren Verformungsverhalten unter dem Elektronmikroskop.