5. Механические свойства монокристаллического кремния

В электронике основное внимание уделяется электрическим свойствам используемых полупроводниковых материалов. В МСТ полупроводник используется и как конструкционный материал, поэтому важно знать его механические свойства и их особенности. Ниже рассматриваются свойства монокристаллического кремния (МКК). Дальнейшее изложение идет, в основном, по работе Петерсона [1]. В табл. 2 приведены свойства кремния и, для сравнения, некоторых других материалов.

Как видно из табл. 2, МКК отнюдь нельзя отнести к непрочным материалам. По значению основных показателей (модулю Юнга, твердости, пределу текучести) кремний стоит в одном ряду со многими очень прочными материалами и превосходит некоторые из них. Это наглядно проявляется при выращивании больших слитков МКК, когда слиток весом порядка 40 кг висит на затравочном кристалле диаметром 2мм. Основное отличие в поведении кремния состоит в том, что под большой нагрузкой он разрушается (крошится), тогда как металлы просто деформируются. В то же время на практике при работе с пластинами кремния необходимо соблюдать осторожность, что связано со следующими факторами.

Во-первых, чаще всего работают с кремнием в виде больших пластин (диаметром порядка 100 мм), имеющих малую толщину (0,250,4мм). При таких размерах легко деформируются и стальные пластины, а кремний легко раскалывается при неосторожном обращении. Кристаллы малых размеров (чипы), площадью порядка 5х5 мм² достаточно прочны.

Во-вторых, всегда следует помнить об особенностях структуры МКК. Кремний почти всегда раскалывается вдоль кристаллографических плоскостей, в особенности если есть локальные краевые, поверхностные или объемные нарушения структуры, создающие концентрации напряжений.

Таблица 2

Свойста кремния и других материалов

Неправильное раскалывание может происходить за счет неравномерности нагрузки и появлении дефектов при резке и скрайбировании.

В-третьих, разрушение пластин может происходить при высокотемпературной обработке и нанесении пленок с плохо согласованным коэффициентом теплового расширения, что также приводит к появлению дефектов и перенапряжений.

Таким образом, потенциально прочный материал МКК и изделия из него очень чувствительны к условиям производства и использования. Поэтому при работе необходимо соблюдать ряд правил, соблюдение которых позволяет получить очень прочные изделия. Перечислим их:

1. Кремний должен иметь возможно меньшую плотность объемных, поверхностных и краевых дефектов, чтобы снизить количество потенциальных областей концентрации напряжений.

2. Компоненты, подвергающиеся механическому воздействию при эксплуатации, должны иметь минимально возможные размеры. Все компоненты, выполненные из МКК, независимо от размеров, должны располагаться на жесткой механической опоре (подложке) для облегчения влияния механических воздействий.

3. Процессы механической обработки (резка, шлифовка, полировка, скрайбирование), приводящие к появлению краевых или поверхностных нарушений, должны заменяться химическим травлением или подобными операциями. Если механическая обработка все же применяется, после нее должно проводиться дополнительное финишное химическое обтравливание.

4. Даже если основными процессами формирования изделия из МКК является анизотропное травление, позволяющее получить геометрически точные «острые» края и углы в структуре, целесообразна последующая обработка детали изотропным травителем для сглаживания этих острых граней и устранения мест накопления напряжений.

5. Поверхность изделий, выполненных из МКК, целесообразно защищать прочными, твердыми и коррозионно стойкими покрытиями, чаще всего из карбида кремния (SiC) или нитрида кремния (Si₃N₄), получаемые методом химического осаждения.

Для пассивации поверхности кремния используют также высокополимерные пленки. В частности, разработаны методы осаждения полиимидных пленок, а также пленок из парилена. Такие пленки не содержат сквозных отверстий и надежно прикрывают острые выступы, края и отверстия.

6. Также как и в микроэлектронике, предпочтительнее применять низкотемпературные технологические методы обрабоки (в частности плазменное окисление), поскольку это позволяет избежать высокотемпературного циклирования и снизить влияние механических напряжений, возникающих из-за разницы коэффициентов теплового расширения разнородных слоев в компоненте. Структуры на МКД имеют уникальные свойства и по механической усталости. Образование усталостных трещин обычно начинается с поверхности напряженных элементов. Высокое кристаллическое совершенство МКК в сочетании с качеством поверхности, достигаемой химической обработкой, позволяет получить высокую усталостную прочость. Установлено, что поверхность, находящаяся под давлением, имеет большую усталостную прочность, чем свободная. Поэтому пленки покрытий, например Si₃N₄, поддерживающие поверхность кремния в состоянии напряжения-сжатия, также способствуют повышению усталостной прочности.