納米加工技術(shù)是納米技術(shù)的重要組成部分,發(fā)展納米加工技術(shù)的一個重要途徑就是采用非傳統(tǒng)的超精密加工技術(shù)將加工尺寸和精度向極限逼近,達(dá)到納米加工的水平。為此,在納觀尺度上研究納米刻劃加工的材料去除和表面創(chuàng)成機理,將為納米刻劃加工技術(shù)的工藝優(yōu)化和加工預(yù)測模型的建立提供理論基礎(chǔ)。本文對兩種半導(dǎo)體晶體材料(單晶硅、單晶鍺)的納米機械刻劃加工表面創(chuàng)成機理進(jìn)行了研究。通過實驗研究了壓痕/刻劃中兩種半導(dǎo)體晶體材料的力學(xué)響應(yīng)行為。從原子重排、重構(gòu)的角度,以晶體結(jié)構(gòu)、位錯理論作為基礎(chǔ),研究半導(dǎo)體晶體材料的黏著、形變等力學(xué)行為。通過分子動力學(xué)仿真計算,對納米刻劃加工中,刻劃區(qū)域的晶格變形、位錯等進(jìn)行定量分析,研究納米刻劃加工表面創(chuàng)成的動態(tài)過程與規(guī)律�；谏鲜鰴C械刻劃機理研究,利用原子力顯微鏡納米刻劃加工系統(tǒng),研究納米結(jié)構(gòu)陣列的刻劃工藝策略及方法。通過納米壓痕/刻劃儀研究半導(dǎo)體晶體材料在壓痕/刻劃中的力學(xué)響應(yīng),發(fā)現(xiàn)在壓痕階段,半導(dǎo)體晶體材料塑性壓深與最大壓深的比值基本是保持不變的。在刻劃階段,為了能夠獲得相對較好的加工表面質(zhì)量,應(yīng)控制刻劃載荷在40mN以下,刻劃速度為4μm/s左右。通過Zhang的“pop-out”現(xiàn)象分析發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體晶體材料在刻劃過程中有相變產(chǎn)生,以及對Zhang的單晶硅位錯理論模型的建立及推廣,得到了半導(dǎo)體晶體材料的臨界載荷值,即單晶硅Pc=2.24mN,單晶鍺Pc=2.26mN。通過分子動力學(xué)仿真研究發(fā)現(xiàn),在探針壓痕過程中,探針開始接觸和卸載脫離材料表面時會出現(xiàn)黏著現(xiàn)象;探針壓入過程引起材料原子晶格畸變和晶格轉(zhuǎn)變或非晶化;最大壓深10A時材料開始出現(xiàn)少量的六邊形金剛石晶格結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和位錯現(xiàn)象,內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)之中會形成殘余應(yīng)力。在探針刻劃過程中,探針前端的部分材料原子向探針的前上方剪切滑移,產(chǎn)生剪切流動,最終形成探針前端的材料堆積或刻劃切屑。同時部分亞表層的材料原子向探針下方剪切滑移,這部分材料原子將形成材料的已刻劃表面(刻劃溝槽表面)�？虅澅砻娈a(chǎn)生永久變形,形成刻劃溝槽,亞表層原子中出現(xiàn)殘余彈性形變和殘余應(yīng)力。通過AFM加工系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn):單晶硅材料水平平行直槽陣列和豎直平行直槽陣列溝槽的實際深度分別是理論深度的40%左右和20%左右,單晶鍺材料水平平行直槽陣列和豎直平行直槽陣列溝槽的實際深度分別是理論深度的50%左右和30%左右。單晶硅材料上和單晶鍺材料上刻劃形成的正交直槽方形陣列,其寬度分別在30nm-250nm范圍內(nèi),波動值約為5%-20%和50nm-300nm范圍內(nèi),波動值約為5%-15%。在相同的理論刻劃深度條件下,單晶鍺的刻劃結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量比單晶硅的刻劃表面質(zhì)量要好。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN305.1
【部分圖文】：

２．１實驗方法??本實驗使用英國Ｍｉｃｒｏ?Ｍａｔｅｒｉａｌｓ公司的ＮａｎｏＴｅｓｔ?Ｖａｎｔａｇｅ的納米壓痕／刻劃儀，??如圖２－１所示。該設(shè)備的基本平臺系統(tǒng)由低載荷系統(tǒng)、高載荷系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、??控制平臺和裝有ＮａｎｏＴｅｓｔ平臺系統(tǒng)的電腦客戶端組成。其中，低載荷系統(tǒng)的載荷施??加范圍在０．０５ｍＮ－５００ｍＮ，高載荷系統(tǒng)的載荷施加范圍在５００ｍＮ－２０Ｎ。??／ｆ?ｔ?，?＼??／?高，系Ｉ?＼??／?—看??－?控制平臺＇??，電子控制系統(tǒng)?＼??圖２－１納米壓痕／刻劃儀設(shè)備??在本實驗中，選擇低載荷系統(tǒng)控制平臺，其載荷分辨率在３０ｎＮ以下。本實驗??選擇的是Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ壓頭，其與Ｖｉｃｋｅｒｓ壓頭在等高時具有相同的表面積和投影面積，??且其能夠消除Ｖｉｃｋｅｒｓ壓頭尖端橫刃的影響［４５］。此外，Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ壓頭的尖端部分曲??率半徑小

?３０、５０、８０、１００、１２０??為減少偶然誤差對實驗結(jié)果精確性的影響，每種實驗條件重復(fù)９次，排列成３ｘ３??陣列形式，實驗示意圖如圖２－３所示。??Ｒ５??ｗｒｒ?＼?▼▼▼??／?▼▼▼?▼▼▼?＼??／?▼▼▼?▼▼▼?＼??、?▼▼▼?？?▼▼▼??＼?▼▼▼?▼▼▼?Ｊ?一丄一??圖２－３壓痕實驗中試樣的壓痕示意圖??２．２．１載荷－位移曲線分析??在壓痕實驗研究中，壓痕載荷一位移的曲線圖（也稱為曲線圖）是研究的??主要依據(jù)，壓痕載荷－位移曲線示意圖如圖２－４所示。??１１??

?壓深?ｈ??圖２－４壓入載荷一深度曲線示意圖??由圖２－４可知，當(dāng)載荷達(dá)到最大載荷？時，對應(yīng)的最大壓深為／ｉｍ；?＆對應(yīng)的是??過坐標(biāo)點（／ｉｍ，Ｐｍ）引出的切線與橫坐標(biāo)壓深的交點，／ｉｐ對應(yīng)的是完全卸載時的塑??性壓深。在壓入過程中，壓入總功轉(zhuǎn)化成材料變形的彈性能和塑性能。壓入總功％可??以通過計算曲線圖中加載曲線下方的面積確定，表示為：??＝?ｆ＾Ｆｄｈ?（２－１）??在卸載過程中，僅有部分彈性能釋放出來；由于塑性形變的存在，部分彈性能??無法完全釋放，而是以殘余彈性形變的形式存在于材料中［５（）＿５１］。彈性恢復(fù)所釋放的??彈性變形能％可通過計算ｐ／ｚ曲線圖中卸載曲線下方的面積確定，表示為：??Ｗｕ＾ｊ＾Ｆｄｈ?（２－２）??如定義ｔ？／７？為：??如＝會?（２－３）??即仏７表示％與％之比，稱其為壓入功恢復(fù)率。壓入功恢復(fù)率可作為表征材料發(fā)生??彈塑性變形過程中彈性恢復(fù)的一種指標(biāo)。??在壓痕實驗研究中
【參考文獻(xiàn)】

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1 張華麗;張飛虎;楊帆;閆永達(dá);;基于AFM的納米級表面加工中切屑形成的影響因素(英文)[J];納米技術(shù)與精密工程;2008年02期

2 唐玉蘭;胡適;王東旭;趙健偉;梁迎春;董申;;納米工程中大規(guī)模分子動力學(xué)仿真算法的研究進(jìn)展[J];機械工程學(xué)報;2008年02期

3 張華麗;張飛虎;;基于Nano Indenter的納米刻劃性能試驗研究[J];機械與電子;2006年03期

4 林濱,吳輝,于思遠(yuǎn),徐燕申;納米磨削過程中加工表面形成與材料去除機理的分子動力學(xué)仿真[J];納米技術(shù)與精密工程;2004年02期

5 唐玉蘭,梁迎春,霍德鴻,程凱;基于分子動力學(xué)單晶硅納米切削機理研究[J];微細(xì)加工技術(shù);2003年02期

6 田珺,梁迎春;基于分子動力學(xué)的單晶硅壓痕過程計算機仿真研究[J];江蘇機械制造與自動化;2001年04期

7 羅熙淳,梁迎春,董申,李廣慧;分子動力學(xué)在單點金剛石超精密車削機理研究中的應(yīng)用[J];工具技術(shù);2000年04期

8 白春禮;掃描隧道顯微術(shù)最新進(jìn)展與原子搬遷[J];物理;1995年06期

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1 顧偉彬;基于微納米劃擦特性的光學(xué)玻璃磨削機理與工藝研究[D];上海交通大學(xué);2012年

2 張俊杰;基于分子動力學(xué)的晶體銅納米機械加工表層形成機理研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2011年

3 胡振江;基于AFM探針刻劃可控三維微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

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1 吳國運;基于原子力顯微鏡機械刻蝕構(gòu)筑納米結(jié)構(gòu)和納米圖案[D];河南大學(xué);2011年

2 楊帆;基于AFM的納米機械刻劃切屑形成過程試驗研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

本文編號：2873204