Quale sarebbe una semplice tecnica per rimuovere strati sottili da strati altrimenti spessi, i cristalli semiconduttori rigidi significano per l'industria dei semiconduttori? Questo concetto è stato attivamente esplorato per anni, poiché i circuiti integrati realizzati su strati sottili promettono sviluppi che includono caratteristiche termiche migliorate, impilabilità leggera e un alto grado di flessibilità rispetto ai substrati di spessore convenzionale.

Con un significativo anticipo, un gruppo di ricerca dell'IBM ha applicato con successo la sua nuova tecnica di trasferimento dello strato di "spalling controllato" ai cristalli di nitruro di gallio (GaN), un materiale semiconduttore prevalente, e ha creato un percorso per la produzione di molti strati da un singolo substrato.

Come riportano nel Rivista di fisica applicata , lo spalling controllato può essere utilizzato per produrre strati sottili da spessi cristalli di GaN senza causare danni cristallini. La tecnica consente inoltre di misurare le proprietà fisiche di base del sistema materiale, come effetti ottici indotti da deformazione e tenacità alla frattura, altrimenti difficilmente misurabili.

I wafer di GaN a cristallo singolo sono estremamente costosi, dove solo un wafer da 2 pollici può costare migliaia di dollari, quindi avere più strati significa ottenere più valore da ogni wafer. Gli strati più sottili offrono anche vantaggi prestazionali per l'elettronica di potenza, poiché offre una resistenza elettrica inferiore e il calore è più facile da rimuovere.

"Il nostro approccio alla rimozione del film sottile è intrigante perché si basa sulla frattura, " ha detto Stephen W. Bedell, membro del personale di ricerca presso IBM Research e uno degli autori dell'articolo. "Primo, depositiamo prima uno strato di nichel sulla superficie del materiale che vogliamo rimuovere. Questo strato di nichel è sottoposto a resistenza alla trazione, pensa alla pelle del tamburo. Quindi arrotoliamo semplicemente uno strato di nastro adesivo sul nichel, tenere premuto il substrato in modo che non possa muoversi, e poi staccare il nastro. Quando lo facciamo, lo strato di nichel sollecitato crea una fessura nel materiale sottostante che scende nel substrato e quindi viaggia parallelamente alla superficie."

Il loro metodo si riduce semplicemente a staccare il nastro, strato di nichel e un sottile strato del materiale del substrato attaccato al nichel.

"Una buona analogia di quanto sia straordinario questo processo può essere realizzata con una lastra di vetro, "Bedell ha detto. "Stiamo rompendo il vetro nella direzione lunga, quindi invece di un mucchio di schegge di vetro rotte, ci restano due lastre di vetro piene. Possiamo controllare quanta superficie viene rimossa regolando lo spessore dello strato di nichel. Poiché l'intero processo viene eseguito a temperatura ambiente, possiamo farlo anche su circuiti e dispositivi finiti, rendendoli flessibili."

Il lavoro del gruppo è degno di nota per molteplici ragioni. Per i principianti, è di gran lunga il metodo più semplice per trasferire strati sottili da substrati spessi. E potrebbe essere l'unico metodo di trasferimento dei livelli materialmente agnostico.

"Abbiamo già dimostrato il trasferimento del silicio, germanio, arseniuro di gallio, nitruro di gallio/zaffiro, e anche materiali amorfi come il vetro, e può essere applicato quasi in qualsiasi momento nel flusso di fabbricazione, dalle materie prime ai circuiti parzialmente o completamente finiti, " disse Bedell.

Trasformare un trucco da salotto in un processo affidabile, lavorando per garantire che questo approccio sia una tecnica coerente per il trasferimento senza crepe, ha portato a sorprese lungo la strada.

"Il meccanismo di base della frattura da spalling del substrato è iniziato come un problema di scienza dei materiali, " ha detto. "Era noto che la deposizione di film metallico spesso avrebbe portato alla rottura del substrato sottostante, che è considerata una cosa negativa. Ma abbiamo scoperto che questo era un fenomeno metastabile, il che significa che potremmo depositare uno strato abbastanza spesso da rompere il substrato, ma abbastanza sottile da non rompersi da solo, aveva solo bisogno di una crepa per iniziare."

La loro scoperta successiva fu come rendere coerente e affidabile l'inizio del crack. Sebbene ci siano molti modi per generare una crepa:laser, incisione chimica, termico, meccanico, ecc.-si scopre che il modo più semplice, secondo Bedell, consiste nel terminare molto bruscamente lo spessore dello strato di nichel vicino al bordo del substrato.

"Questo crea una grande discontinuità di sollecitazione sul bordo del film di nichel in modo che una volta applicato il nastro, una piccola trazione sul nastro avvia costantemente la crepa in quella regione, " Egli ha detto.

Anche se potrebbe non essere ovvio, il nitruro di gallio è un materiale vitale per la nostra vita quotidiana. È il materiale sottostante utilizzato per fabbricare il blu, e ora bianco, LED (per i quali è stato assegnato il Premio Nobel 2014 per la fisica) e per l'alta potenza, elettronica ad alta tensione. Può anche rivelarsi utile per la biocompatibilità intrinseca, che, se combinato con lo spalling di controllo, può consentire bioelettronica ultrasottile o sensori impiantabili.

"La scheggiatura controllata è già stata utilizzata per creare prodotti estremamente leggeri, celle solari a base di GaAs ad alta efficienza per applicazioni aerospaziali e circuiti flessibili all'avanguardia, " disse Bedell.

Il gruppo sta ora lavorando con i partner di ricerca per fabbricare dispositivi GaN ad alta tensione utilizzando questo approccio. "Abbiamo anche avuto una grande interazione con molti dei leader della tecnologia GaN attraverso il programma ARPA-E SWITCHES del Dipartimento dell'Energia e speriamo di utilizzare lo spalling controllato per abilitare nuovi dispositivi attraverso future partnership, " disse Bedell.