不同晶體結(jié)構(gòu)硅材料的摩擦化學(xué)磨損研究.pdf

1、伴隨著納米科技的迅速發(fā)展，微/納器件已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、先進(jìn)制造、軍事國防等眾多領(lǐng)域。硅基半導(dǎo)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(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模集成電路和微/機(jī)電系統(tǒng)中半導(dǎo)體材料和結(jié)構(gòu)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(dǎo)體器件的電子信息基礎(chǔ)材料，被稱為“微電子大廈的基石”。而非晶硅內(nèi)部有許多“懸

2、鍵”，是一種直接能帶半導(dǎo)體，可用于制造太陽電池、薄膜晶體管、復(fù)印鼓、光電傳感器及場效應(yīng)晶體管等。上述三種硅在應(yīng)用過程中均可能涉及化學(xué)機(jī)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(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)對硅材料微觀磨損的影響機(jī)制。

3、>　　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(dǎo)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(shù)表征了不同結(jié)構(gòu)硅基體表面的物理和化學(xué)特性，初步揭示了晶體結(jié)構(gòu)對硅材料微觀磨損的影響機(jī)制。論文的主要結(jié)論及創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)闡明了單晶硅、多晶硅和氫化非晶硅的摩擦化學(xué)磨損規(guī)律，初步揭示了晶體結(jié)構(gòu)對硅材料微觀磨損的影響機(jī)制。

4、>　　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(yán)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(jìn)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(xué)惰性，抑制了化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)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(dǎo)致內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生以及力學(xué)性能的降低等原因，磨損最嚴(yán)重。
　　(2)探明了摩擦誘導(dǎo)

5、變形硅表面的摩擦化學(xué)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(jī)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(jié)構(gòu)和納米溝槽結(jié)構(gòu)。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(gòu)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(yán)重，單晶硅基體次之，納米凸起表面最為輕微。分

6、析其原因，凸起結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xué)反應(yīng)位點(diǎn)不一樣，導(dǎo)致了微觀磨損的差異。從晶體結(jié)構(gòu)的損傷程度而言，納米凸起結(jié)構(gòu)非晶硅層密度較小，結(jié)構(gòu)相對疏松，硅原子間距較大，內(nèi)部存在部分?jǐn)嚅_的Si-Si鍵;而納米溝槽結(jié)構(gòu)相對緊實(shí)，相對凸起結(jié)構(gòu)有較多的非晶硅，內(nèi)部存在更多斷開的Si-Si鍵，且晶

7、體結(jié)構(gòu)損傷更嚴(yán)重，從而致使氧、水分子相對凸起結(jié)構(gòu)容易介入，有利于溝槽表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)。
　　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(dǎo)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(jié)構(gòu)對硅材料摩擦化學(xué)磨損的影響規(guī)律和機(jī)制。相關(guān)研究結(jié)果不僅有助于進(jìn)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(xué)磨損的影響機(jī)制，豐富了納米摩擦學(xué)基礎(chǔ)理論，而且也為微/納器件的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)和CMP的工藝優(yōu)化提