本文關鍵詞：不同晶體結構硅材料的摩擦化學磨損研究

  更多相關文章： 微觀磨損 單晶硅 多晶硅 氫化非晶硅 摩擦誘導非晶硅 摩擦化學磨損

【摘要】：伴隨著納米科技的迅速發(fā)展,微/納器件已廣泛應用于生物醫(yī)學、先進制造、軍事國防等眾多領域。硅基半導體器件(如MEMS/NEMS)是典型的微/納器件,涉及的硅材料包括單晶硅、多晶硅和非晶硅。單晶硅因其優(yōu)異的物理和化學性能,被廣泛應用于大規(guī)模集成電路和微/機電系統(tǒng)中半導體材料和結構功能材料。多晶硅是生產(chǎn)單晶硅的直接原料,也是人工智能、自動控制、信息處理、光電轉(zhuǎn)換等半導體器件的電子信息基礎材料,被稱為"微電子大廈的基石"。而非晶硅內(nèi)部有許多"懸鍵",是一種直接能帶半導體,可用于制造太陽電池、薄膜晶體管、復印鼓、光電傳感器及場效應晶體管等。上述三種硅在應用過程中均可能涉及化學機械拋光(CMP)以得到超精密表面,其中涉及大量的微觀磨損問題。以往關于硅材料的微觀磨損研究主要集中于單晶硅材料,而對不同晶體結構的硅材料(單晶硅、多晶硅、非晶硅)的微觀磨損規(guī)律研究卻鮮有涉及。因此,亟待全面開展單晶硅、多晶硅、非晶硅材料的微觀磨損規(guī)律研究,深入揭示晶體結構對硅材料微觀磨損的影響機制。本論文采用原子力顯微鏡,利用二氧化硅針尖系統(tǒng)研究了單晶硅、多晶硅、氫化非晶硅、摩擦誘導非晶硅在不同載荷與循環(huán)次數(shù)下的微觀磨損規(guī)律。并借助Hysitron、SEM、PECVD、FTIR、XRD等技術表征了不同結構硅基體表面的物理和化學特性,初步揭示了晶體結構對硅材料微觀磨損的影響機制。論文的主要結論及創(chuàng)新點如下:(1)闡明了單晶硅、多晶硅和氫化非晶硅的摩擦化學磨損規(guī)律,初步揭示了晶體結構對硅材料微觀磨損的影響機制。隨著載荷和循環(huán)次數(shù)的增加,單晶硅、多晶硅和氫化非晶硅表面的微觀磨損均逐漸加劇。對比而言,氫化非晶硅的微觀磨損最嚴重,單晶硅次之,多晶硅最為輕微。在潮濕空氣中,單晶硅表面的吸附水促進其微觀磨損。多晶硅內(nèi)部晶界由于氧化物的存在提高了化學惰性,抑制了化學反應的進行,磨損相對輕微。氫化非晶硅由于內(nèi)部懸鍵的存在以及可能存在游離的氧,加上沉積過程不確定因素導致內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生以及力學性能的降低等原因,磨損最嚴重。(2)探明了摩擦誘導變形硅表面的摩擦化學磨損規(guī)律,并初步揭示了變形層對硅基體微觀磨損的作用機制。首先,在原子力顯微鏡上采用金剛石探針并通過控制接觸壓力在單晶硅表面分別加工出了納米凸結構和納米溝槽結構。兩種表面均由最外層的SiOx層以及亞表面厚的非晶硅層與變形層構成,但相對厚度不同。且隨著載荷和循環(huán)次數(shù)的增加,單晶硅基體、納米凸起和納米溝槽表面的微觀磨損均逐漸加劇。對比而言,納米溝槽表面的微觀磨損最為嚴重,單晶硅基體次之,納米凸起表面最為輕微。分析其原因,凸起結構表層含氧層厚度略小于納米溝槽表層的氧化層厚度,而溝槽結構的非晶層厚度更厚,使得凸起表面的彈性模量略大于溝槽表面。在相同的接觸壓力下,二氧化硅針尖與各表面的接觸面積不一樣,摩擦化學反應位點不一樣,導致了微觀磨損的差異。從晶體結構的損傷程度而言,納米凸起結構非晶硅層密度較小,結構相對疏松,硅原子間距較大,內(nèi)部存在部分斷開的Si-Si鍵;而納米溝槽結構相對緊實,相對凸起結構有較多的非晶硅,內(nèi)部存在更多斷開的Si-Si鍵,且晶體結構損傷更嚴重,從而致使氧、水分子相對凸起結構容易介入,有利于溝槽表面發(fā)生摩擦化學反應。綜上所述,通過對單晶硅、多晶硅、氫化非晶硅(a-Si:H)和摩擦誘導非晶硅(納米凸起與溝槽)表面的微觀磨損對比研究,初步探明了晶體結構對硅材料摩擦化學磨損的影響規(guī)律和機制。相關研究結果不僅有助于進一步揭示硅材料晶體內(nèi)部原子缺陷和摻雜等對其摩擦化學磨損的影響機制,豐富了納米摩擦學基礎理論,而且也為微/納器件的摩擦學設計和CMP的工藝優(yōu)化提供了理論依據(jù)。
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O613.72

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 曾曉洋;黎明;李志宏;陳兢;楊玉超;黃如;;微納集成電路和新型混合集成技術[J];中國科學:信息科學;2016年08期

2 技聞;;10納米鰭式晶體管架構FinFET工藝[J];集成電路應用;2015年11期

3 ;汽車MEMS增長預計放緩,隨后再度加速[J];今日電子;2013年01期

4 趙文杰;王立平;薛群基;;織構化提高表面摩擦學性能的研究進展[J];摩擦學學報;2011年06期

5 王瑩;;MEMS將迎來第三次發(fā)展浪潮[J];電子產(chǎn)品世界;2010年07期

6 張偉;周建偉;劉玉嶺;趙之雯;張進;楊玉樓;;氫化非晶硅薄膜H含量控制研究進展[J];微納電子技術;2009年11期

7 黃如;田豫;周發(fā)龍;王潤聲;王逸群;張興;;適于納米尺度集成電路技術的雙柵/多柵MOS器件的研究[J];中國科學(E輯:信息科學);2008年06期

8 李世彬;吳志明;朱魁鵬;蔣亞東;李偉;廖乃鏝;;氣體壓強對非晶硅薄膜光學特性的影響[J];光電子.激光;2008年03期

9 宋曉嵐;李宇q;江楠;屈一新;邱冠周;;化學機械拋光技術研究進展[J];化工進展;2008年01期

10 韓翔,李軼,吳文剛,閆桂珍,郝一龍;用于MEMS的單晶硅上無電鍍銅、鍍鎳工藝[J];半導體學報;2005年05期

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 王曉東;不同濕度和水下單晶硅的納米磨損研究[D];西南交通大學;2014年

2 余家欣;單晶硅的切向納動研究[D];西南交通大學;2011年

3 廖乃鏝;氫化非晶硅薄膜制備及其微結構和光電性能研究[D];電子科技大學;2009年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 周德讓;非晶硅薄膜的制備及連續(xù)激光晶化[D];河南大學;2013年

2 王玉;PECVD法制備氫化非晶硅薄膜及其性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2010年

3 王春;單晶硅片CMP磨損機理的模擬試驗研究[D];江南大學;2007年

，

本文編號：1301722