Die Forscher schafften es, fünfzig Nanometer dicke kristalline Schichten aus einem Wafer zu trennen, dessen Oberfläche mit einem Wasserstoffstrahl implantiert und anschließend erhitzt wurde. In der Chipindustrie verwendet man die Smart-Cut-Technik seit Jahren, um so genannte Silicon-on-Insulator-Strukturen für Schaltkreise aufzubauen. Was dabei tatsächlich im Siliziumkristall passiert, war bislang weitgehend unbekannt.
Nach der Bestrahlung des Wafers mit Wasserstoff bilden sich unterhalb der Oberfläche scheibenförmige, nanometergroße Defekte aus gespaltenen Siliziumbindungen. Beim Erhitzen wachsen diese Defekte, verbinden sich miteinander und durchtrennen schließlich das Silizium.
Bisher wurde vermutet, dass Wasserstoffatome in die Defekte eindringen, dort Gasmoleküle bilden und allein aufgrund des Gasdrucks einen Kristallbruch verursachen. Diese Hypothese ist nun widerlegt. Die Forscher fanden durch quantenmechanische Simulationen heraus, dass die Kristalltrennung durch Spannungsrisskorrosion erfolgt. Die gebildeten Wasserstoffmoleküle innerhalb der scheibenförmigen Defekte reagieren mit gedehnten Silizium-Silizium-Bindungen an deren Spitzen und bringen die Bindungen zum Bruch. So wachsen die Defekte parallel zur Kristalloberfläche und erzeugen den sehr glatten Riss innerhalb des Materials. Erst wenn der Defekt groß genug wird – bei einem Durchmesser von etwa zehn Mikrometern – baut sich der Druck des einströmenden Wasserstoffs auf und führt zum spröden Kristallbruch. (HS)
