单晶硅在氦离子注入前后的力学性能研究

以微机电系统常用的单晶硅材料和经氮离子注入单晶硅后形成的表面改性层为研究对象，在原位纳米力学测试系统上进行微压痕实验，对样品的表面纳米硬度进行了测试。同时，还通过该仪器的原子力成像功能对实验区域扫描成像，在纳米尺度下观察和分析形貌。结果表明：单晶硅在氮离子注入前后的纳米硬度值与载荷有很大关系。通过对微压痕和原子力图像的分析，表明单晶硅在氮离子注入后的纳米硬度值有所降低，其主要原因是氮离子注入后导致晶格抵抗变形的能力降低。     

单晶硅在氮离子注入前后的力学性能研究

以微机电系统常用的单晶硅材料和经氮离子注入单晶硅后形成的表面改性层为研究对象,在原位纳米力学测试系统上进行微压痕实验,对样品的表面纳米硬度进行了测试。同时,还通过该仪器的原子力成像功能对实验区域扫描成像,在纳米尺度下观察和分析形貌。结果表明:单晶硅在氮离子注入前后的纳米硬度值与载荷有很大关系。通过对微压痕和原子力图像的分析,表明单晶硅在氮离子注入后的纳米硬度值有所降低,其主要原因是氮离子注入后导致晶格抵抗变形的能力降低。     

单晶硅各向异性纳米切削分子动力学研究

在293K温度下,通过分子动力学仿真软件LAMMPS建立单晶硅(100)、(110)和(111)不同晶面的纳米切削仿真模型,对样件内部原子之间相互作用选用改进型Tersoff势函数描述,并结合OVITO可视化分析,研究了样件的表面完整性演化规律和亚表层损伤机制.结果 表明:在纳米切削时,材料去除方式主要靠刀具的法向挤压...     

单晶硅纳米级磨削过程的理论研究

对内部无缺陷的单晶硅纳米级磨削过程进行了分子动力学仿真,从磨削过程中瞬间原子位置、磨削力、原子间势能、损伤层深度等角度研究了纳米级磨削加工过程,解释了微观材料去除、表面形成和亚表面损伤机理。研究表明：磨削过程中,单晶硅亚表面损伤的主要形式是非晶结构形式,无明显的位错产生,硅原子间势能的变化是导致单晶硅亚表面损伤的重要原因;另外,发现磨粒原子与硅原子之间有黏附现象发生,这是由于纳米尺度磨粒的表面效应而产生的。提出了原子量级条件下单晶硅亚表面损伤层的概念,并定义其深度为沿磨削深度方向原子发生不规则排列的原子层的最大厚度。     

基于分子动力学的单晶硅纳米压痕过程分析

基于分子动力学角度,本文主要分析了单晶硅的纳米压痕过程,并尝试解释其瞬间原子位置、作用力变化以及其压痕过程等原理。经过笔者试验发现:磨粒的不断压入,会使单晶硅的硅晶格发生变成,且磨粒产生的能量会以应变能的形式存储在晶格之中。同时,随着硅原子势能增加到一定数值时,硅原子键就会以断裂形式变成非晶层堆积在磨粒下方。当磨粒离开单晶硅时,非晶层开始重构,释放能量,达到新的平衡状态。     

采用AFM研究单晶硅纳米加工特性

为获得AFM金刚石微探针在纳米尺度上加工脆性材料的加工特性,在AFM系统上对单晶硅表面进行了刻划、加工实验.实验结果与宏观车削加工结果进行了对比,得出在纳米尺度上进行的加工属塑性域加工.采用AFM金刚石微探针加工硅表面的加工质量主要受材料残留高度和形成的切屑在已加工表面的粘结两个因素影响.验证了AFM作为一种加工工具,受其刻划方向的影响,可以很容易地实现纳米量级材料的去除,得到厚度为数个纳米的切屑.     

应用纳米压痕法测试类金刚石薄膜的力学性能

纳米压痕仪被称为材料机械性质微探针,它借助于加载-卸载过程中压痕对载荷和压入深度的敏感关系,使得测试始终在薄膜材料的弹性限度内,克服了维氏法和努氏法等传统方法引起压痕边缘模糊或者碎裂的缺点,从而正确地、可靠地测试出薄膜材料的硬度和弹性模量等纳米力学性能.试验用微波电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积技术,在不同偏压条件下制备三种类金刚石薄膜(DLC膜),用纳米压痕仪测试不同载荷下薄膜的硬度和弹性模量值.试验结果表明,材料的纳米硬度和弹性模量随着载荷的增大而逐渐减小.     

AFM的纳米硬度测试与分析

基于原子力显微镜(AFM)和金刚石针尖建立了一套纳米压痕测量系统。通过向系统发送控制电压使金刚石针尖在完成加载和卸载全过程的同时进行实时的数据采集并直接绘出载荷-压深曲线。利用该系统,对单晶铝和单晶铜薄膜材料进行了单点压痕实验,用美国Hysitron公司的纳米原位测量仪(TriboIndenter)做了验证试验。实验结果表明,该系统适合测量较软材料的纳米硬度。分析了基体材料对薄膜硬度和弹性模量的影响,在薄膜厚度低于5~10倍压入深度时,基体对薄膜材料的力学性能影响很大;并根据获得的载荷－压深曲线分析得出由于尺度效应的影响,随着压痕深度的减小,薄膜的硬度值呈明显的上升趋势,弹性模量没有这个趋势。     

单晶硅微桥式梁力学性能的弯曲测试

微梁是微电子机械系统(M EM S)中常见的结构,单晶硅是M EM S最基本、最常用的材料之一,其材料力学性能需要精确的评价。应用光刻等技术加工了六组不同尺寸的微桥式梁试件,并进行了弯曲测试,梯形截面的试件可代表矩形、方形等截面的常见微梁。弯曲测试选用的纳米压痕法适用于弹塑性材料,且可同时获取弹性模量、硬度和弯曲强度等多种力学性能参数。实验测得单晶硅的平均弹性模量为(170.295±2.4850)GPa,没有呈现尺寸效应;弯曲强度在3.24~10.15GPa范围内变化,有较强的尺寸效应,平均硬度为(9.4967±1.7533)GPa,尺寸效应不太明显。     

基于分子动力学的单晶硅压痕过程计算机仿真研究

对单晶Si的压痕过程进行了分子动力学模拟。采用Morse势函数描述原子间的相互作用,以牛顿方程建立力学运动方程,使用改进后的Verlet算法解子运动轨迹,通过对MD仿真结果的分析研究,将压痕过程分为三个特征阶段,即初期弹性变形阶段,中期塑性变形阶段及非晶层形成阶段。并从原子角度分析了压痕过程中原子间势能,磨削力的变化,应力状态,磨削温度等特征,解释了微观材料的去除和表面形成机理。     

硅晶片金刚线多线切割机

本文阐述了硅晶片金刚线多线切割原理,并对自主研发的硅晶片多线切割机及其工艺作了介绍。     

硅晶体精密切片技术及相关基础研究

分析了目前硅晶体切片技术的特点和现状,综述了相关基础研究,指出了未来的发展趋势和研究热点。     

基于AFM的压痕硬度自动检测算法的研究

由纳米硬度计可测得载荷-压深曲线,并由原子力显微镜可以扫描得到压痕图.在对单晶硅压痕硬度的检测试验中,用Matlab软件对获得的数据进行处理,编制了利用压痕边长法、直接面积法、Oliver-Pharr法和压痕功法等计算压痕硬度方法的程序,可以自动计算压痕的面积和体积并计算得到单晶硅的硬度值.     

金刚石飞切加工参数对单晶硅的脆-塑转变影响

针对切削深度、进给量、主轴转速三个因素制定了单因素试验方案,并进行了单晶硅片的金刚石飞切加工试验。通过对试验结果的电镜检测,得出了各因素对加工机理的影响规律。     

金刚石车刀前角与切削刃钝圆半径对单晶硅加工表层质量的影响

在对单晶硅的超精密切削加工中,为了优化金刚石刀具参数以利于实现其塑性域切削,运用线弹性断裂力学和有限元法对在不同的刀具前角和切削刃钝圆半径下切削区域的应力场分布和微裂纹扩展规律进行了计算仿真研究,并在此基础上进行了单晶硅的金刚石切削试验以验证仿真分析。结果表明,采用前角范围为-15°～-25°的车刀进行切削有利于抑制原子级尺寸裂纹初步扩展成微裂纹,因此可以提高加工时的脆塑转变临界切深值,有利于实现塑性域切削;而且,切削刃钝圆半径越小加工时的微裂纹就越不易扩展,因此也就容易实现单晶硅的塑性域车削,得到高质量的金刚石切削加工表面。     

基于单颗磨粒切削的硅片加工破碎损伤

为了探究硅片器件精密磨削加工破碎的损伤规律与演变机制,开展了单颗金刚石磨粒切削单晶硅片的微米划痕实验,分析了硅片边缘有无胶粘包裹作用两种条件下的划痕入口、内部与出口三个区段的破碎损伤形貌特征,并建立了声发射强度、磨削力、切削深度、摩擦系数与破碎损伤之间的内在密切关联。单晶硅破碎损伤随着加载压力或切入深度的增大而越加严重,伴随释放的声发射信号强度增大。单晶硅内部破碎发生的临界阈值条件：载荷约80mN,切入深度约2µm,声发射强度约8%。胶粘包裹对单晶硅片边缘的增韧效果显著,边缘崩碎发生临界阈值条件为：载荷约800mN,切入深度约6µm,声发射强度约55%。     

直接面积法测量纳米硬度技术的研究

利用纳米压痕技术对单晶硅做纳米压痕试验,得到其载荷-压深曲线.用原子力显微镜测出压痕的三维形貌,结合Matlab软件,直接计算出压痕的残余面积,从而得到单晶硅的纳米硬度值.通过对直接面积法与Oliver-Pharr方法测出的硬度值进行分析比较,发现两种方法得到的硬度值都有压痕尺寸效应,但用直接面积法得到的硬度值比用Oliver-Pharr方法得到的硬度值尺寸效应更明显一些.