不同晶体结构硅材料的摩擦化学磨损研究

发布时间：2017-12-17 22:07

  本文关键词：不同晶体结构硅材料的摩擦化学磨损研究

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【摘要】：伴随着纳米科技的迅速发展,微/纳器件已广泛应用于生物医学、先进制造、军事国防等众多领域。硅基半导体器件(如MEMS/NEMS)是典型的微/纳器件,涉及的硅材料包括单晶硅、多晶硅和非晶硅。单晶硅因其优异的物理和化学性能,被广泛应用于大规模集成电路和微/机电系统中半导体材料和结构功能材料。多晶硅是生产单晶硅的直接原料,也是人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等半导体器件的电子信息基础材料,被称为"微电子大厦的基石"。而非晶硅内部有许多"悬键",是一种直接能带半导体,可用于制造太阳电池、薄膜晶体管、复印鼓、光电传感器及场效应晶体管等。上述三种硅在应用过程中均可能涉及化学机械抛光(CMP)以得到超精密表面,其中涉及大量的微观磨损问题。以往关于硅材料的微观磨损研究主要集中于单晶硅材料,而对不同晶体结构的硅材料(单晶硅、多晶硅、非晶硅)的微观磨损规律研究却鲜有涉及。因此,亟待全面开展单晶硅、多晶硅、非晶硅材料的微观磨损规律研究,深入揭示晶体结构对硅材料微观磨损的影响机制。本论文采用原子力显微镜,利用二氧化硅针尖系统研究了单晶硅、多晶硅、氢化非晶硅、摩擦诱导非晶硅在不同载荷与循环次数下的微观磨损规律。并借助Hysitron、SEM、PECVD、FTIR、XRD等技术表征了不同结构硅基体表面的物理和化学特性,初步揭示了晶体结构对硅材料微观磨损的影响机制。论文的主要结论及创新点如下:(1)阐明了单晶硅、多晶硅和氢化非晶硅的摩擦化学磨损规律,初步揭示了晶体结构对硅材料微观磨损的影响机制。随着载荷和循环次数的增加,单晶硅、多晶硅和氢化非晶硅表面的微观磨损均逐渐加剧。对比而言,氢化非晶硅的微观磨损最严重,单晶硅次之,多晶硅最为轻微。在潮湿空气中,单晶硅表面的吸附水促进其微观磨损。多晶硅内部晶界由于氧化物的存在提高了化学惰性,抑制了化学反应的进行,磨损相对轻微。氢化非晶硅由于内部悬键的存在以及可能存在游离的氧,加上沉积过程不确定因素导致内部缺陷的产生以及力学性能的降低等原因,磨损最严重。(2)探明了摩擦诱导变形硅表面的摩擦化学磨损规律,并初步揭示了变形层对硅基体微观磨损的作用机制。首先,在原子力显微镜上采用金刚石探针并通过控制接触压力在单晶硅表面分别加工出了纳米凸结构和纳米沟槽结构。两种表面均由最外层的SiOx层以及亚表面厚的非晶硅层与变形层构成,但相对厚度不同。且随着载荷和循环次数的增加,单晶硅基体、纳米凸起和纳米沟槽表面的微观磨损均逐渐加剧。对比而言,纳米沟槽表面的微观磨损最为严重,单晶硅基体次之,纳米凸起表面最为轻微。分析其原因,凸起结构表层含氧层厚度略小于纳米沟槽表层的氧化层厚度,而沟槽结构的非晶层厚度更厚,使得凸起表面的弹性模量略大于沟槽表面。在相同的接触压力下,二氧化硅针尖与各表面的接触面积不一样,摩擦化学反应位点不一样,导致了微观磨损的差异。从晶体结构的损伤程度而言,纳米凸起结构非晶硅层密度较小,结构相对疏松,硅原子间距较大,内部存在部分断开的Si-Si键;而纳米沟槽结构相对紧实,相对凸起结构有较多的非晶硅,内部存在更多断开的Si-Si键,且晶体结构损伤更严重,从而致使氧、水分子相对凸起结构容易介入,有利于沟槽表面发生摩擦化学反应。综上所述,通过对单晶硅、多晶硅、氢化非晶硅(a-Si:H)和摩擦诱导非晶硅(纳米凸起与沟槽)表面的微观磨损对比研究,初步探明了晶体结构对硅材料摩擦化学磨损的影响规律和机制。相关研究结果不仅有助于进一步揭示硅材料晶体内部原子缺陷和掺杂等对其摩擦化学磨损的影响机制,丰富了纳米摩擦学基础理论,而且也为微/纳器件的摩擦学设计和CMP的工艺优化提供了理论依据。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O613.72

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本文编号：1301722