Gezieltes Wachstum von Siliziumkristallen

Vier Freiburger Wissenschaftlern ist es weltweit erstmals in Simu­lationen gelungen, durch Scherung verursachte Amorphisierung und Rekristalli­sierung von Silizium-Kristallen zu nutzen, um Kristalle zielgerichtet aufwachsen zu lassen. In Zukunft könnten Fachleute mithilfe dieses Konzepts kristalline Silizium­strukturen für nano­technologische Anwendungen, beispielsweise Nano-Elektronik, maßschneidern. Möglich würde es durch die neue Methode der Triboepitaxie.

Silizium ist der wichtigste Werkstoff in der Mikro- und Nanoelektronik. Dennoch ist es nach wie vor mit erheblichem Aufwand verbunden, aus diesem Material kristalline Strukturen mit nanoskaliger Präzision herzustellen. Um Silizium selektiv epitaktisch auf einer Oberfläche aufzuwachsen, muss letztere teuer und zeit­aufwändig vor­strukturiert werden, um insbesondere den Ort des Wachstums zu kontrollieren. Eine mechanische Methode, in der ein Kristall als Stift verwendet wird, um kristalline Nanolinien auf einem anderen Kristall ganz ohne Vorstrukturierung direkt zu schreiben, wäre ein Durchbruch. Thomas Reichenbach, Gianpietro Moras und Michael Moseler vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Mikro­tribologie Centrum µTC, in Kooperation mit Lars Pastewka vom Institut für Mikrosystem­technik der Universität Freiburg haben nun in Simulationen etwas entdeckt, das dies in Zukunft möglich machen könnte.

„Reiben zwei Silizium­kristalle in einer Scherbewegung aneinander, entsteht eine amorphe Schicht an der Grenzfläche“, erklären die Tribologen. Normalerweise vergrößere sich diese mit der Zeit. „Wir haben jedoch festgestellt, dass die Dicke bei geringem Druck einen konstanten Wert annimmt, obwohl ständig neue Atome in die amorphe Phase übergehen“, so Thomas Reichenbach. „Das bedeutet, dass es einen entgegen­gesetzten Prozess geben muss, in dem Atome genau umgekehrt aus der amorphen zurück in die kristalline Phase übergehen. Es entsteht ein Gleich­gewicht.“ Das wollen die Tribologie­experten nutzbar machen. In Simulationen haben sie gezeigt, dass es auf die Ausrichtung der Kristalle ankommt. Wenn beide Kristalle dieselbe Orientierung besitzen, variiert die Position der amorphen Lage nur stochastisch ohne erkenn­baren Trend. „Wenn wir jedoch einen der beiden in Kontakt stehenden Kristall drehen, sodass die Scherbelastung in beiden Kristallen entlang unterschiedlicher kristallo­grafischer Richtungen wirkt, wird diese Bewegung gerichtet“, erläutert Moras. Das Resultat: Die amorphe Lage wandert immer weiter in eine Richtung, der eine Kristall wird abgetragen und der andere wächst.

Im nächsten Schritt wollte das Team herausfinden, wie sich steuern lässt, welcher Kristall wächst und welcher verschwindet. Dies erklären die Wissen­schaftler mit Blick auf die atomaren Prozesse: „Wenn wir eine Scherspannung anlegen, ergeben sich für die beiden unterschiedlich ausgerichteten Kristalle Energie­unterschiede aufgrund verschiedener elastischer Konstanten“, so Reichenbach. Simulationen verschie­denster Systeme zeigten, dass immer der Kristall mit der geringeren elastischen Energiedichte wächst. „Da er energetisch günstiger ist, passen sich die Atome in der amorphen Phase bevorzugt seiner kristallinen Struktur an.“ Im Ergebnis wird der andere – unter Scher­belastung energetisch ungüns­tigere – Kristall kleiner.

Dieses Wissen könnte zukünftig in einem Nano­lithografie-Verfahren Anwendung finden. Ein Modell­experiment dazu schlagen die Tribologen in ihrem Paper ebenfalls vor. „Mit einer schnell oszillierenden kristallinen Spitze, die man zusätzlich langsam entlang eines beliebigen Pfades bewegt, müsste es möglich sein, kristalline Strukturen auf einen anderen Kristall zu schreiben“, erklärt Moras. „Voraus­gesetzt, die effektiven Schermodule der beiden Kristalle unterscheiden sich.“ Die Dicke der Kristall­linien lässt sich dabei durch die Anzahl der Oszilla­tionen steuern, die Breite der Spur wird durch die Amplitude der Schwingungen bestimmt. „Bisher ist das alles Theorie“, so Moras. „Aber in den Simulationen funktioniert es zuverlässig und wir hoffen, dass die Idee der Tribo­epitaxie in Zukunft auch experimentell erforscht und nutzbar gemacht wird.“

Fh.-IWM / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  T. Reichenbach et al.: Solid-Phase Silicon Homoepitaxy via Shear-Induced Amorphization and Recrystallization, Phys. Rev. Lett. 127, 126101 (2021); DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.126101
• Multiskalenmodellierung und Tribosimulation, Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Freiburg