Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Smart Cut: Korrosion als Werkzeug für Präzisionsschnitte in Silizium

14.10.2010
Erste Ergebnisse aus dem EU-Forschungsprojekt ADGLASS

Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Bremen, des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM, Freiburg, der Universität Bremen, des Karlsruher Instituts für Technologie KIT und des King’s College London ist es erstmals gelungen, mittels einer neu entwickelten Simulationstechnik die molekulardynamischen Grundlagen des wichtigen »Smart Cut« Schneideprozesses zu entschlüsseln: Langsam fortschreitende Spannungsriss-Korrosion führt zur atomar präzisen Kristalltrennung.


Mechanisches Spannungsfeld (Rot: Zugspannung, Blau: Druckspannung) und Details der Korrosionsreaktion an einem Wasserstoff-induzierten Defekt in kristallinem Silizium.

Kristalline Schichten mit einer Dicke von etwa 50 Nanometern können mit atomarer Präzision aus einem Silizium-Wafer getrennt werden, nachdem die Wafer-Oberfläche mit einem Wasserstoffstrahl implantiert und anschließend erhitzt wurde.

Die Halbleiterindustrie verwendet diesen Prozess seit einigen Jahren, um mithilfe der sogenannten »Smart-Cut-Technik« die für elektronische Schaltkreise benötigten Silicon-on-Insulator-Strukturen aufzubauen. Was tatsächlich im Siliziumkristall während des »schlauen Schnittes« passiert, war bis jetzt weitestgehend unbekannt. Deshalb konnten die Hersteller die Smart-Cut-Technik bislang lediglich empirisch mittels »Trial and Error« optimieren.

Nach Bestrahlung einer Siliziumoberfläche mit Wasserstoff bilden sich unterhalb der Oberfläche Defekte in Form scheibenförmiger, nanometergroßer Regionen gespaltener Siliziumbindungen. Beim Erhitzen wachsen diese Defekte weiter, verbinden sich untereinander und durchtrennen schließlich das Silizium. Es wurde bisher vermutet, dass Wasserstoffatome in die Defekte eindringen, Wasserstoffmoleküle bilden und allein aufgrund des Gasdrucks einen Kristallbruch verursachen.

»Wäre der Gasdruck die Ursache für den Kristallbruch, würde er zu gezackten und nicht zu den tatsächlichen extrem glatten Oberflächen führen, die im technologischen Prozess entstehen«, widerlegt Dr. Gianpietro Moras vom Karlsruher Institut für Technologie die Hypothese.

Moras und seine Kollegen haben jetzt mithilfe quantenmechanischer Simulationen herausgefunden, dass die Kristalltrennung durch langsam fortschreitende Spannungsriss-Korrosion erfolgt. Die gebildeten Wasserstoffmoleküle innerhalb der scheibenförmigen Defekte reagieren mit gedehnten Silizium-Silizium-Bindungen an deren Spitzen und bringen die Bindungen zum Bruch. So wachsen die Defekte parallel zur Kristalloberfläche und erzeugen den sehr glatten – in der Tat atomistisch glatten – Riss innerhalb des Materials. Erst wenn der Defekt groß genug wird, bei einem Durchmesser von etwa zehn Mikrometern, baut sich der Druck des einströmenden Wasserstoffs auf und führt zum spröden Kristallbruch.

Während Spannungsriss-Korrosion im Allgemeinen als ein verheerendes Phänomen betrachtet wird, das die Sicherheit und Lebensdauer von mechanischen Infrastrukturen stark beeinflusst, zeigt diese Arbeit hingegen, dass es gezielt für die Herstellung von nanometergroßen Strukturen eingesetzt werden kann. Die Befunde eröffnen neue Möglichkeiten in der Optimierung der Smart-Cut-Technik, welche sich ebenso im Falle anderer kovalenter Materialien wie Germanium, Diamant und Siliziumkarbid bewährt hat.

Nie zuvor wurde Spannungsriss-Korrosion mit quantenmechanischer Präzision in realistisch großen und komplexen Systemen untersucht, wie es dem Wissenschaftlerteam nun gelungen ist. Erst die Entwicklung einer neuen, hybriden quanten-klassischen Simulationstechnik – die zum Teil im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten Verbundprojekts ADGLASS stattfand – hat den Durchbruch ermöglicht.

Der Konsortiumkoordinator Prof. Colombi Ciacchi erläutert: »Das detaillierte Verständnis von Prozessen dieser Art hat jedoch nicht nur direkte Auswirkungen in der Smart-Cut-Technik, sondern wird darüber hinaus Ingenieuren und Wissenschaftlern dabei helfen, die Haltbarkeit einer Reihe von Materialien und Strukturen mit hohem Korrosionsrisiko zu verbessern, beispielsweise von laminiertem Glas, bei dem die Spannungen der verschiedenen Schichten das Glas anfällig für Korrosion durch Wasser machen. Darüber hinaus werden Mikro-Elektro-Mechanische Systeme (MEMS) gleichermaßen profitieren, da diese winzigen Maschinen oftmals Kontakt mit korrosiven Substanzen, zum Beispiel biologischen Flüssigkeiten, haben.«

Auch der Verschleiß von aneinander reibenden Bauteilen und Fertigungsprozesse wie die Mikrozerspanung beruhen auf einer Kombination von chemischen Reaktionen und mechanischer Spannung. »Da öffnen unsere Simulationen ganz neue Untersuchungswege«, ergänzt Colombi Ciacchi.

Hintergrundinformation
Das von der Europäischen Kommission geförderte Projekt »Adhesion and Cohesion at Interfaces in High Performance Glassy Systems« (ADGLASS) steht für Angewandte Spitzenforschung der Grenzflächenmodellierung und -funktionalisierung zur Entwicklung von Hochleistungsglasmaterialien für Pharmazie und Solartechnik.

Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM koordiniert das Projekt unter der Leitung von Prof. Lucio Colombi Ciacchi, Inhaber der Conrad-Naber-Stiftungsprofessur »Grenzflächen in der Bio-Nano-Werkstofftechnik« im Fachbereich Produktionstechnik und Mitglied des »Bremen Center for Computational Materials Science« der Universität Bremen.

Veröffentlichung
G. Moras, L. Colombi Ciacchi, C. Elsässer, P. Gumbsch, A. De Vita, »Atomically smooth stress-corrosion cleavage of a hydrogen-implanted crystal«, Physical Review Letters 105, 075502 (2010) (Featured in Physical Review Focus, vol. 26, 13th August 2010).
Weitere Informationen:
http://www.ifam.fraunhofer.de
http://www.hmi.uni-bremen.de
http://www.bccms.uni-bremen.de
http://www.iwm.fraunhofer.de
http://www.adglass.eu

Anne-Grete Becker | Fraunhofer-Institut
Weitere Informationen:
http://www.ifam.fraunhofer.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Hochreines Quarzglas von Heraeus ermöglicht Entdeckung von Gravitationswellen
12.02.2016 | Heraeus Holding GmbH

nachricht „LAVA“ kann Implantate verbessern
05.02.2016 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Gravitationswellen 100 Jahre nach Einsteins Vorhersage entdeckt

LIGO öffnet mit der Beobachtung kollidierender schwarzer Löcher ein neues Fenster zum Universum / Entscheidende Beiträge von Forschern der Max-Planck-Gesellschaft und der Leibniz Universität Hannover

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler Kräuselungen der Raumzeit, sogenannte Gravitationswellen, beobachtet, die – ausgelöst von einem Großereignis im fernen...

Im Focus: Messkampagne POLSTRACC: Starker Ozonabbau über der Arktis möglich

Die arktische Stratosphäre war in diesem Winter bisher außergewöhnlich kalt, damit sind alle Voraussetzungen für das Auftreten eines starken Ozonabbaus in den nächsten Wochen gegeben. Diesen Schluss legen erste Ergebnisse der vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) koordinierten Messkampagne POLSTRACC nahe, die seit Ende 2015 in der Arktis läuft. Eine wesentliche Rolle spielen dabei vertikal ausgedehnte polare Stratosphärenwolken, die zuletzt weite Bereiche der Arktis bedeckten: An ihrer Oberfläche finden chemische Reaktionen statt, welche den Ozonabbau beschleunigen. Diese Wolken haben die Klimaforscher nun ungewöhnlicherweise bis in den untersten Bereich der Stratosphäre beobachtet.

„Weite Bereiche der Arktis waren über einen Zeitraum von mehreren Wochen von polaren Stratosphärenwolken zwischen etwa 14 und 26 Kilometern Höhe bedeckt –...

Im Focus: AIDS-Impfstoffproduktion in Algen

Pflanzen und Mikroorganismen werden vielfältig zur Medikamentenproduktion genutzt. Die Produktion solcher Biopharmazeutika in Pflanzen nennt man auch „Molecular Pharming“. Sie ist ein stetig wachsendes Feld der Pflanzenbiotechnologie. Hauptorganismen sind vor allem Hefe und Nutzpflanzen, wie Mais und Kartoffel – Pflanzen mit einem hohen Pflege- und Platzbedarf. Forscher um Prof. Ralph Bock am Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam wollen mit Hilfe von Algen ein ressourcenschonenderes System für die Herstellung von Medikamenten und Impfstoffen verfügbar machen. Die Praxistauglichkeit untersuchten sie an einem potentiellen AIDS-Impfstoff.

Die Produktion von Arzneimitteln in Pflanzen und Mikroorganismen ist nicht neu. Bereits 1982 gelang es, durch den Einsatz gentechnischer Methoden, Bakterien so...

Im Focus: Einzeller mit Durchblick: Wie Bakterien „sehen“

Ein 300 Jahre altes Rätsel der Biologie ist geknackt. Wie eine internationale Forschergruppe aus Deutschland, Großbritannien und Portugal herausgefunden hat, nutzen Cyanobakterien – weltweit vorkommende mikroskopisch kleine Einzeller – das Funktionsprinzip des Linsenauges, um Licht wahrzunehmen und sich darauf zuzubewegen. Der Schlüssel zu des Rätsels Lösung war eine Idee aus Karlsruhe: Jan Gerrit Korvink, Professor am KIT und Leiter des Instituts für Mikrostrukturtechnik (IMT) am KIT, nutzte Siliziumplatten und UV-Licht, um den Brechungsindex der Einzeller zu messen.

 

Im Focus: Production of an AIDS vaccine in algae

Today, plants and microorganisms are heavily used for the production of medicinal products. The production of biopharmaceuticals in plants, also referred to as “Molecular Pharming”, represents a continuously growing field of plant biotechnology. Preferred host organisms include yeast and crop plants, such as maize and potato – plants with high demands. With the help of a special algal strain, the research team of Prof. Ralph Bock at the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology in Potsdam strives to develop a more efficient and resource-saving system for the production of medicines and vaccines. They tested its practicality by synthesizing a component of a potential AIDS vaccine.

The use of plants and microorganisms to produce pharmaceuticals is nothing new. In 1982, bacteria were genetically modified to produce human insulin, a drug...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

SUMA-Kongress 2016 – Die offene Web-Gesellschaft 4.0

12.02.2016 | Veranstaltungen

Career Center deutscher Hochschulen tagen an der Europa-Universität Viadrina

12.02.2016 | Veranstaltungen

Frauen in der digitalen Arbeitswelt: Gestaltung für die IT-Branche und das Ingenieurswesen

11.02.2016 | Veranstaltungen

 
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Ultraschnelle Kontrolle von Spinströmen durch Laserlicht

12.02.2016 | Physik Astronomie

SCHOTT stellt auf der Photonics West zukunftsweisende Lösungen für die Optik vor

12.02.2016 | Messenachrichten

Große Sauerstoffquellen im Erdinneren

12.02.2016 | Geowissenschaften