p O que seria uma técnica simples para remover camadas finas de outra espessura, Cristais semicondutores rígidos significam para a indústria de semicondutores? Este conceito foi explorado ativamente por anos, já que os circuitos integrados feitos em camadas finas são promissores para desenvolvimentos, incluindo características térmicas aprimoradas, capacidade de empilhamento leve e um alto grau de flexibilidade em comparação com substratos de espessura convencional. p Em um avanço significativo, um grupo de pesquisa da IBM aplicou com sucesso sua nova técnica de transferência de camada de "fragmentação controlada" para cristais de nitreto de gálio (GaN), um material semicondutor predominante, e criou um caminho para a produção de muitas camadas de um único substrato.

p Conforme eles relatam no Journal of Applied Physics , A fragmentação controlada pode ser usada para produzir camadas finas de cristais de GaN espessos sem causar danos aos cristais. A técnica também permite medir as propriedades físicas básicas do sistema de materiais, como efeitos ópticos induzidos por deformação e resistência à fratura, que de outra forma são difíceis de medir.

p Os wafers de GaN de cristal único são extremamente caros, onde apenas um wafer de 2 polegadas pode custar milhares de dólares, portanto, ter mais camadas significa obter mais valor de cada wafer. Camadas mais finas também fornecem vantagens de desempenho para eletrônicos de potência, uma vez que oferece menor resistência elétrica e o calor é mais fácil de remover.

p "Nossa abordagem para a remoção de filme fino é intrigante porque é baseada na fratura, "disse Stephen W. Bedell, membro da equipe de pesquisa da IBM Research e um dos autores do artigo. "Primeiro, primeiro depositamos uma camada de níquel na superfície do material que queremos remover. Esta camada de níquel está sob resistência à tração - pense na pele do tambor. Então, simplesmente rolamos uma camada de fita sobre o níquel, segure o substrato para que ele não se mova, e, em seguida, retire a fita. Quando fazemos isso, a camada de níquel estressada cria uma rachadura no material subjacente que desce para o substrato e, em seguida, viaja paralela à superfície. "

p Seu método se resume a simplesmente descascar a fita, camada de níquel e uma fina camada do material de substrato aderida ao níquel.

p "Uma boa analogia de como esse processo é notável pode ser feita com um painel de vidro, "Bedell disse." Estamos quebrando o vidro na direção longa, então, em vez de um monte de cacos de vidro quebrados, ficamos com duas folhas de vidro cheias. Podemos controlar quanto da superfície é removida ajustando a espessura da camada de níquel. Como todo o processo é feito em temperatura ambiente, podemos até fazer isso em circuitos e dispositivos acabados, tornando-os flexíveis. "

p O trabalho do grupo é digno de nota por vários motivos. Para iniciantes, é de longe o método mais simples de transferir camadas finas de substratos espessos. E pode muito bem ser o único método de transferência de camada materialmente agnóstico.

p “Já demonstramos a transferência de silício, germânio, arsenieto de gálio, nitreto de gálio / safira, e até mesmo materiais amorfos como vidro, e pode ser aplicado em quase qualquer momento do fluxo de fabricação, de materiais de partida a circuitos parcialmente ou totalmente acabados, "Bedell disse.

p Transformando um truque de salão em um processo confiável, trabalhando para garantir que esta abordagem seja uma técnica consistente para transferência livre de fissuras, levou a surpresas ao longo do caminho.

p "O mecanismo básico da fratura por fragmentação do substrato começou como um problema de ciência dos materiais, "disse ele." Era sabido que a deposição de filme metálico muitas vezes levava à rachadura do substrato subjacente, o que é considerado uma coisa ruim. Mas descobrimos que este era um fenômeno metaestável, o que significa que poderíamos depositar uma camada espessa o suficiente para rachar o substrato, mas fino o suficiente para não rachar sozinho - ele só precisava de uma rachadura para começar. "

p A próxima descoberta foi como tornar o início do crack consistente e confiável. Embora existam muitas maneiras de gerar uma rachadura - laser, decapagem química, térmico, mecânico, etc. - acontece que da maneira mais simples, de acordo com Bedell, é terminar a espessura da camada de níquel muito abruptamente perto da borda do substrato.

p "Isso cria uma grande descontinuidade de tensão na borda do filme de níquel para que, uma vez que a fita seja aplicada, um pequeno puxão na fita inicia consistentemente a rachadura naquela região, " ele disse.

p Embora possa não ser óbvio, o nitreto de gálio é um material vital para nossa vida cotidiana. É o material subjacente usado para fabricar o azul, e agora branco, LEDs (para os quais o Prêmio Nobel de Física de 2014 foi concedido), bem como de alta potência, eletrônica de alta tensão. Também pode ser útil para biocompatibilidade inerente, que quando combinado com fragmentação de controle pode permitir bioeletrônica ultrafina ou sensores implantáveis.

p "A fragmentação controlada já foi usada para criar materiais extremamente leves, células solares baseadas em GaAs de alta eficiência para aplicações aeroespaciais e circuitos flexíveis de última geração, "Bedell disse.

p O grupo agora está trabalhando com parceiros de pesquisa para fabricar dispositivos GaN de alta tensão usando essa abordagem. "Também tivemos grande interação com muitos dos líderes em tecnologia GaN por meio do programa ARPA-E SWITCHES do Departamento de Energia e esperamos usar fragmentação controlada para habilitar novos dispositivos por meio de futuras parcerias, "Bedell disse.