微加工硅表面基于AFM的纳米压痕测量与分析

原子力显微镜 (AFM )在完成对单晶硅的微加工后 ,其金刚石针尖被用做一个纳米压痕头以实现微加工区域内外机械性质的测量与分析。结果表明 ,以安装有金刚石针尖的AFM在经过化学机械抛光的硅基片上所进行的微加工 ,即使使用极小的切削力也会在加工表面形成变质层 ,但是其厚度值要小于化学机械抛光的硅表面变质层。由AFM测量的纳米级硬度值要大于由传统的Vickers和Hysitron硬度测试仪所测量的值。另外 ,随着AFM压入载荷的减小 ,纳米级硬度值呈现出增加的趋势 ,这是由于在很小的压入载荷下所呈现出的压痕尺寸效应所导致     

微加工硅表面基于AFM的纳米压痕测量与分析

原子力显微镜(AFM)在完成对单晶硅的微加工后，其金刚石针尖被用做一个纳米压痕头以实现微加工区域内外机械性质的测量与分析。结果表明，以安装有金刚石针尖的AFM在经过化学机械抛光的硅基片上所进行的微加工，即使使用极小的切削力也会在加工表面形成变质层，但是其厚度值要小于化学机械抛光的硅表面变质层。由AFM测量的纳米级硬度值要大于由传统的Vickers和Hysitron硬度测试仪所测量的值。另外，随着AFM压入载荷的减小，纳米级硬度值呈现出增加的趋势，这是由于在很小的压入载荷下所呈现出的压痕尺寸效应所导致。     

基于AFM微加工的单晶硅表层性质的研究

在纳米级材料去除率和极小载荷下,利用原子力显微镜(AFM)对单晶硅进行基于金刚石针尖的微加工,并且应用扫描电子显微镜(SEM)对微加工区域及切屑的元素特征进行分析,同时应用能谱仪(EDS)和X射线光电子能谱仪(XPS)对加工区域及非加工区域的化学成分组成进行对比分析.通过SEM观察发现无论在微加工区域内部还是在其边缘都不产生微裂纹及断裂破坏.元素分析表明微加工后去除的切屑因为松散且具有很大的自由表面面积所以容易被氧化,而加工区域内部的XPS分析结果显示出加工表层有非晶态二氧化硅的产生,深度值随加工时垂直载荷的不同在0.3～0.4nm之间变化.     

基于AFM微加工的单晶硅表层性质的研究

在纳米级材料去除率和极小载荷下 ,利用原子力显微镜 (AFM )对单晶硅进行基于金刚石针尖的微加工 ,并且应用扫描电子显微镜 (SEM )对微加工区域及切屑的元素特征进行分析 ,同时应用能谱仪 (EDS)和X射线光电子能谱仪 (XPS)对加工区域及非加工区域的化学成分组成进行对比分析。通过SEM观察发现无论在微加工区域内部还是在其边缘都不产生微裂纹及断裂破坏。元素分析表明微加工后去除的切屑因为松散且具有很大的自由表面面积所以容易被氧化 ,而加工区域内部的XPS分析结果显示出加工表层有非晶态二氧化硅的产生 ,深度值随加工时垂直载荷的不同在 0 .3～ 0 .4nm之间变化     

硅晶片化学机械抛光中的化学作用机理

通过分析硅晶片化学机械抛光过程中软质层的形成及其对材料去除过程的影响,研究了使用纳米CeO2磨料进行化学机械抛光中的化学作用机理.分析表明,软质层是抛光液与硅晶片反应形成的一层覆盖在硅基体表面的腐蚀层,其硬度比基材小,厚度大约在几个纳米.软质层的存在一方面增大单个磨料所去除材料的体积,增加材料去除速率;另一方面减小了磨料嵌入硅晶片基体的深度,这对于实现塑性磨削,降低抛光表面粗糙度,都起着重要的作用.     

原子力显微镜在金刚石表面微结构分析中的应用

本文报告用原子力显微镜（AFM）测量金刚石精密加工表面的微观结构,获得了用机械抛光法与热化学抛光法得到的表面纳米级形貌。前者呈直线纹理,反映出金刚石磨料的刮削机理,后者表面较平滑,无明显加工纹理,但在磨削方向出现一些蚀坑,反映出碳原子扩散的化学磨削机理。     

基于AFM微加工的单晶硅表层性质的研究

在纳米级材料去除率和极小载荷下，利用原子力显微镜(AFM)对单晶硅进行基于金刚石针尖的微加工，并且应用扫描电子显微镜(SEM)对微加工区域及切屑的元素特征进行分析，同时应用能谱仪(EDS)和X射线光电子能谱仪(XPS)对加工区域及非加工区域的化学成分组成进行对比分析。通过SEM观察发现无论在微加工区域内部还是在其边缘都不产生微裂纹及断裂破坏。元素分析表明微加工后去除的切屑因为松散且具有很大的自由表面面积所以容易被氧化，而加工区域内部的XPS分析结果显示出加工表层有非晶态二氧化硅的产生，深度值随加工时垂直载荷的不同在0．3～0．4nm之间变化。     

纳米金刚石薄膜的光学性能研究

用热丝化学气相(HFCVD)法在硅衬底上制备了表面光滑、晶粒致密均匀的纳米金刚石薄膜,用扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)观测薄膜的表面形貌和粗糙度,拉曼光谱表征膜层结构,紫外-可见光分光光度计测量其光透过率,并用椭圆偏振仪测试、建模、拟合获得了表征薄膜光学性质的n,k值.结果表明薄膜的晶粒尺寸在100nm以下,表面粗糙度仅为21nm;厚度为3.26(m薄膜在632.8nm波长处的透过率为25%,1100nm波长处达到50%.采用直接光跃迁机制估算得到纳米金刚石薄膜的光学能隙(Eg)为4.3 eV.     

Cu-Ni多层膜纳米压痕下微观变形结构的研究

金属多层膜具有化学、电子、磁学和力学等方面的许多优异性能，目前被广泛用于光学器件、磁记忆介质和作为互连体材料，尤其近年在微电子机械系统领域的应用引起了广泛注意。而纳米压痕技术是近几年发展起来的一项新的力学测试技术，测试精度高，通过测量压头在压入过程中的载荷-位移曲线，可获得材料的硬度和弹性模量等本征力学参量。该技术测试区域小，避免了样品的宏观缺陷对测试结果的影响，     

硬质薄膜显微硬度测量中的载荷选择

硬度是评价硬质薄膜的主要力学性能指标。但是对于硬度高于 2 0ＧＰａ而厚度仅为几个微米的硬质薄膜 ,对其硬度的测量是非常困难的。其难点在于压入载荷的正确选择 :较大的载荷会因压头前端的变形区扩展到基体 ,测得的硬度值偏低 ,是薄膜 基体复合体共同作用的结果 ;而较小的载荷则会由于薄膜表面粗糙度引起测量结果的失真和分散。为此 ,曾有人提出 ,为保证测量结果的可靠应使压痕的深度与薄膜厚度之比小于 1 5 [1] ,还有人提出这一比值应该更小 ,达到 1 10 [2 ] ,甚至 1 2 0 [3 ] ,至今仍无定论。本文提出采用力学探针技术准确测量硬质薄膜…     

Cu/Ta/SiO2/Si薄膜在纳米压痕下的分层现象研究

采用磁控溅射技术在热氧化单晶硅衬底上先后淀积了厚度分别为50nm的Ta膜和400 nm的Cu膜.使用纳米压入仪在样品表面进行压入测试,在薄膜表面制造出残留压痕.使用扫描电镜(SEM)、聚焦离子束(FIB)、透射电镜(TEM)和X射线能谱仪(EDX)对残留压痕形貌、剖面上的分层现象进行观察,确定分层所在的位置.发现在69 mN的最大载荷作用后,在TA/SiO2界面处发生分层.分层的原因主要归结为在应力作用下,多层膜中各种材料的应变、弹性恢复能力不同.     

原子力显微镜针尖同接触面的纳米压痕粘着力

建立了原子力显微镜(AFM)针尖同接触面的纳米压痕物理模型;根据Hamaker三个假设和Lennard-Jones 势理论,利用连续方法推导出针尖同接触面的纳米压痕粘着力表达式.针对Hamaker常数实验值受环境影响较大,给Hamaker常数的具体应用产生困难的问题,从Lifshitz理论,得出Hamaker常数的近似表达式,并计算了Au、Cu、Al、Ag、Hg的Hamaker常数.计算结果同有关文献的实验结果符合,从而为微机械中广泛存在的纳米接触、"微碰"现象研究提供理论基础.     

原子力显微镜针尖同接触面的纳米压痕粘着力

建立了原子力显微镜(AFM)针尖同接触面的纳米压痕物理模型;根据Hamaker三个假设和Lennard-Jones 势理论,利用连续方法推导出针尖同接触面的纳米压痕粘着力表达式.针对Hamaker常数实验值受环境影响较大,给Hamaker常数的具体应用产生困难的问题,从Lifshitz理论,得出Hamaker常数的近似表达式,并计算了Au、Cu、Al、Ag、Hg的Hamaker常数.计算结果同有关文献的实验结果符合,从而为微机械中广泛存在的纳米接触、"微碰"现象研究提供理论基础.     

Cu/Ta/SiO2/Si多层膜纳米压痕下微观结构的研究

Cu/Ta/SiO2/Si多层膜结构是目前集成电路制造工艺中的常见结构,其硬度与弹性模量通过纳米压入技术测得.为了表征纳米压痕下的形变微观区域,采用聚焦离子束加工出压痕截面,同时进行扫描电子、扫描离子显微观察,发现样品衬底发生开裂,多层膜结构出现分层现象.TEM分析表明分层出现在Ta/SiO2界面,说明这是该结构的一个薄弱环节.     

纳米磨料对GaAs晶片的抛光研究

通过均相沉淀法制备了纳米CeO2和Al2O3粉体,研究了在相同抛光条件下纳米CeO2、SiO2和Al2O3磨料对GaAs晶片的抛光效果,并用原子力显微镜观察抛光表面的微观形貌并测量表面粗糙度。结果表明,使用纳米CeO2磨料抛光后的表面具有最低的表面粗糙度,在1μm×1μm范围内表面粗糙度Ra值为0.740nm,而且表面的微观起伏更趋于平缓。文中还探讨了GaAs晶片化学机械抛光材料去除机理,考虑了纳米磨料在抛光条件下所发生的自身变形,并分析了纳米磨料硬度对抛光表面粗糙度的影响,初步解释了在相同的抛光条件下不同硬度的纳米磨料为什么具有不同的抛光表面粗糙度。     

单晶SiC微纳米压痕的力学行为及仿真分析

为了研究单晶SiC的微观力学性能和加工方式,开展了单晶6H SiC（0001）的微纳米压痕试验,并采用ABAQUS软件对纳米压痕过程进行了数值仿真及完成了试验验证。结果表明,单晶SiC在加载阶段的变形机理与压入载荷无关;硬度和弹性模量表现出了明显的尺寸效应;球形压头作用下的应力值最小,玻氏压头和维氏压头作用下的应力值相同,大于圆锥压头的应力值;压痕裂纹类型有主裂纹、侧向裂纹、主次型裂纹、平直型裂纹、间断型裂纹,裂纹的平均长度随着加载力的增加而逐渐增加。     

铸态Mg-Zn-Gd合金中准晶相的应变速率敏感性研究

利用纳米压痕仪、原子力显微镜以及电子显微镜等性能与显微结构分析手段对镁基二十面体准晶的应变速率敏感性问题进行了研究.在室温下对铸态Mg79.4-Zn18.5-Gd2.1(at.%)合金中形成的网状准晶相进行纳米压入测试,比较了不同压入应变速率下压痕的压入曲线、表面形貌差异,并据此对准晶相的压入变形行为进行了研究.结果表明,准晶相的室温硬度对应变速率敏感,其变形行为与常规金属及合金相比具有特殊性.结合准晶原子团簇摩擦变形理论,对反映准晶特性的压入实验现象进行了分析和讨论.     

AFM 在纳米结构加工中的应用研究

文中阐述了基于自行研制的原子力显微镜(AFM) 的纳米刻蚀加工方法,研究了针尖 上的载荷大小和扫描次数对加工深度的影响,利用AFM 的微探针在氧化铝(Al2O3) 材料表面加工出纳米结构,验证了该加工方法的可行性。实验结果表明基于AFM 的纳米刻蚀技术可作为加工纳米器件的重要手段。     

抛光工艺对硅基Pb_(1-x)Ge_xTe薄膜性能的影响

研究了不同的抛光方法(机械抛光、化学腐蚀及化学机械抛光)对硅基板上沉积的Pb_(1-x)Ge_xTe薄膜性能的影响.研究表明,经化学机械抛光(SiO_2胶体或Cr~+)的硅基板上所沉积的Pb_(1-x)Ge_xTe薄膜具有致密的结构及平直的界面,其沉积速率也比在化学腐蚀抛光表面的沉积速率大7%或18%(分别对应<111>和<100>晶向);薄膜具有明显高于化学腐蚀抛光基板沉积薄膜的折射率,且折射率随温度的降低而增加,而低温下折射率随波长的增加而增加;化学腐蚀抛光基板沉积薄膜的折射率的增加量明显大于化学机械抛光基板沉积薄膜的增加量;薄膜层经机械抛光后,其膜层结构、组分及其深度分布均未改变,但透射率增加,消光系数有所改善,折射率有所降低.     

材料微观力学性能测试加载装置研究

材料微观力学性能测试以纳米压痕和划痕最具代表性,通过连续记录载荷-深度关系曲线,进而分析获取被测材料的硬度、弹性模量及粘附性等参数。该文提出一种压头固定,试件运动的纳米压痕加载装置,以压电叠堆驱动、柔性铰链传动,实现压入与压出过程。首先讨论了两种用于纳米压痕/划痕的直角式柔性铰链方案,进行了静力和模态分析;其次对精密加载单元进行具体结构设计和有限元分析;最后试制了加载装置样机并进行压痕实验。研究结果表明,该装置可较准确测取材料硬度,且具有较好的稳定性。