机械-化学耦合作用下GeSbTe相变材料的微观损伤行为

发布时间：2021-08-05 19:43

　　为了研究机械磨损、化学腐蚀对锗锑碲（GeSbTe）相变材料微观损伤行为的影响,利用原子力显微镜（AFM）及SiO₂探针对GeSbTe表面在不同工况下产生的微观损伤进行了研究。实验结果表明:在大气环境下,GeSbTe表面经过单次面磨损（面扫描）会形成一个方形磨坑。该磨坑在NaOH碱性溶液中会发生腐蚀,同时磨坑深度随腐蚀时间增加而增加。在NaOH溶液中对GeSbTe表面进行单次面磨损同样产生方形磨坑,并且该磨坑深度也随腐蚀时间的增加而增加。由大气环境下不同法向载荷磨损对比实验可知,腐蚀前的机械作用会促进后续腐蚀损伤。GeSbTe表面自然氧化层的腐蚀实验表明GeSbTe表面自然氧化层在NaOH溶液中的腐蚀可忽略,并且对GeSbTe次表层起掩膜作用。由于NaOH溶液中SiO₂探针与GeSbTe表面存在润滑及双电层作用,致使面磨损损伤较轻微,即对表面自然氧化层的损伤小,导致后续腐蚀损伤轻微。本研究结果有助于理解GeSbTe的化学机械抛光（CMP）机理。 

【文章来源】：微纳电子技术. 2020,57(09)北大核心

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

GeSbTe表面微观磨损示意图

为了揭示机械摩擦及化学腐蚀对GeSbTe微观损伤行为的影响，本文利用SiO2探针和NaOH溶液开展了大气环境下的面磨损和后续腐蚀实验。实验结果如图2所示，GeSbTe表面经SiO2探针磨损后（法向载荷为10μN、磨损时间为85 s）会形成磨坑，该磨坑深度为14.5 nm。经NaOH溶液腐蚀10、15和20 min后磨坑深度分别增加至17、19.5和21 nm。所以，SiO2探针在法向载荷10μN作用下会对材料表面造成微观损伤，并且在后续腐蚀过程中会形成新的损伤，该损伤随腐蚀时间的增加而增加。研究表明，材料在大气环境下产生的微观损伤由机械磨损引起[16]，而机械磨损则体现为材料在磨损过程中发生的剪切破坏[22-24]。因此为了揭示GeSbTe在大气下微观损伤的产生机制，需对GeSbTe磨损过程中的剪切应力（τ）进行分析。材料在磨损中的τ为

式中：Ft为摩擦力，在10μN载荷下的摩擦力大小为8.91μN;A为沿着摩擦力方向的剪切面的面积（图3）。剪切面积A的大小与SiO2探针球半径（R=1μm）和压入深度（h）有关。由赫兹接触理论可知[21,23-24],SiO2/GeSbTe接触副在10μN磨损中的压入深度为3.59 nm。因此，上述磨损过程中的剪切面积为405.38 nm2，剪切应力为22.0 GPa。由于GeSbTe材料的抗剪强度约为1 GPa[25]，所以GeSbTe在大气环境下产生的微观损伤是由机械磨损引起的。尽管机械磨损会导致GeSbTe表面产生微观损伤，然而图2中检测的GeSbTe表面损伤还与化学反应有关。由Z.T.Song等人[8]对GeSbTe材料的CMP抛光研究可知，GeSbTe材料在碱性抛光液中会发生以下化学反应

【参考文献】：
期刊论文
[1]Ge2Sb2Te5的化学机械抛光研究进展[J]. 何敖东,刘波,宋志棠,冯高明,朱南飞,任佳栋,吴关平,封松林.  化学学报. 2013(08)
[2]热处理对GeSb2Te4薄膜微观结构及其摩擦性能的影响[J]. 解国新,丁建宁,范真,付永忠,朱守星,万春磊.  摩擦学学报. 2006(02)



本文编号：3324346