Silizium verhält sich normalerweise spröde. Forscher entdeckten nun, dass sich die mechanischen Eigenschaften des Materials stark mit der Größe verändern. Das hat Auswirkungen auf das Design von Siliziumbauteilen.
Zoom mit dem Transmissionselektronenmikroskop in einen Ausschnitt einer kleinen Silizium-Biegefeder. Die eingefärbte Aufnahme zeigt die Versetzungslinien (dunkel). Der weiß umrandete Ausschnitt zeigt die atomare Anordnung im Silizium, die durch die mechanische Belastung entstanden ist.
Tristan Harzer, MPIE
Als Funktionswerkstoff in der Mikroelektronik oder Strukturwerkstoff in der Mikrosystemtechnik ist Silizium das Material der ersten Wahl. Dafür gibt es gute Gründe, die Titu-Marius I. Băjenescuin in "Zuverlässige Bauelemente für elektronische Systeme" in Bezug auf die Mikrosystemtechnik knapp rekapituliert: "Seine Materialeigenschaften sind gut bekannt und weitgehend in verschiedenen Geräten getestet. Zudem ist Silizium für mikromechanische Bauelemente geeignet, weil es praktisch, wenn gebogen, keine Hysterese, keine Verlustleistung hat und eine hohe Zuverlässigkeit besitzt."
Zudem: Viele Mikrosensoren lassen sich mit Verfahren der Halbleitertechnik monolithisch integriert fertigen. Dabei werden "Sensorelement und Auswerteelektronik mittels einheitlicher Technologien auf einem Siliziumchip hergestellt", so die Autoren des "Dubbel" (Seite X 28). Kurzum, nach Jahrzehnten der Technologieentwicklung sind die Eigenschaften dieses zentralen Werkstoffs für Mikroelektronik, Mikrosystemtechnik und Sensorik en détail bekannt, so möchte man meinen – aber dies ist mitnichten so.
Das mechanische Verhalten von Silizium bei höheren Temperaturen gibt weiterhin Rätsel auf. Bei Raumtemperatur ist Silizium spröde, wird bei Temperaturen von etwa 540°C duktil und beginnt sich bei etwa 800°C leicht zu verformen, so der Kenntnisstand. Nun stellt sich heraus, dass das mechanische Verhalten von Silizium in mikro- und nanoskaligen Geräten davon abweicht: In modernen miniaturisierten Sensoren wird Silizium als elastische Feder in Form von sehr dünnen Biegebalken verwendet. In diesen kleinen Geräten "kriecht Silizium je nach Beanspruchung schon bei viel niedrigeren Temperaturen von etwa 400°C", sagt Mohamed Elhebeary, Forscher an der University of Illinois, jetzt bei der Intel Corporation. Elhebeary hatte zusammen mit Taher Saif von der University of Illinois eine neue Testplattform entwickelt, um sehr dünne Siliziumbalken unter Temperatur mechanischen Belastungen auszusetzen und live im Elektronenmikroskop zu beobachten, wie das Material reagiert.
Einkristallines Silizium besitzt hervorragende elektrische und mechanische Eigenschaften und ermöglicht die monolithische Integration von elektronischen und mechanischen Bauelementen. Daher ist Silizium das wichtigste Material der Volumenmikromechanik… Die Silizium‐Volumenmikromechanik erlaubt die Herstellung einer Vielzahl von Bauelementen, wie zum Beispiel Drucksensoren, Beschleunigungssensoren, Tintenstrahldüsen, Mikropumpen und Mikrospiegel. Silizium ist wegen seiner hervorragenden elektrischen und mechanischen Eigenschaften das wichtigste Material der Volumenmikromechanik." Stephanus Büttgenbach, "Mikrosystemtechnik", Seite 53.
Aufgrund der Befunde aus den Versuchen unter dem Elektronenmikroskop galt es nun aufzuklären, warum die winzigen Federn aus Silizium schon bei wesentlich niedrigeren Temperaturen als 540°C ihr elastisches Verhalten verlieren und sich stattdessen unter Belastung irreversibel verformen. Tristan Harzer und Gerhard Dehm vom Düsseldorfer Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) konnten mit höchstauflösender Transmissions-Elektronenmikroskopie das Rätsel lösen: Bei 400°C entstehen unter Stress Versetzungen in dem bis dahin defektfreien Silizium, wie die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift PNAS berichten. "In Metallen kommen Versetzungen häufig vor und führen zur guten Umformbarkeit", sagt Dehm. Deren Auftreten in Silizium schon bei sehr viel niedrigeren Temperaturen als normal, war nicht zu erwarten. Die neuen Erkenntnisse geben nun den Entwicklern in der Praxis wichtige Hinweise für das Design zuverlässige Silizium-Nanobauteile, die bei hohen Temperaturen und Spannungen zur Anwendung kommen.