单晶硅纳米力学性能的测试(2)

单晶硅纳米力学性能的测试

第7期

　　　　　　　　赵宏伟,等:单晶硅纳米力学性能的测试

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underthenanoindentationzoneinsidethesiliconwafer,becausethepressurearoundthenanoindenta2tionzoneisdifferent.Thetestingresultofthehardnessofsinglecrystalsiliconisabout15.7GPa.Keywords:singlecrystalsiliconwafer;nanometermechanics;nanoindentation;hardness;cutting

processinnano2scale

关纳米尺度下材料力学性能的研究工作已受到

1　引　言

　　近年来,随着精密定位技术的发展米级切削加工得到不断发展

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[1]

美、日、澳、欧盟等发达国家和地区以及我国部分高校和科研院所的高度重视。

和刀具

在材料纳米力学性能的测试分析中,纳米压痕技术是最为常用的手段,借助该项技术人们可以测得被测试件的硬度、弹性模量等力学参数[5,13214],借助扫描电子显微镜等设备对测试后的试件进行观测分析,还可发现载荷作用导致的[2,15218],、价格低、易于获得的一种微电子,硅材料的力学性能始终是国内外学者的研究热点。单晶硅属于各向异性材料,在不同晶向(或晶面)上表现出不同的物理性能;此外载荷作

水平的提高,以单晶金刚石刀具为加工工具的纳

;当刀具圆角半径

达到纳米级时,利用该方法可完成复杂微小构件的干式纳米加工。在纳米级切削加工方面,以晶体半导体材料的纳米级切削加工最引人关注,采用这种方法制备的单晶硅(Si)、锗(Ge)透镜是红外遥感、热成像、暗视野观测等领域尖端设备的首选元件,而针对化合物半导体如磷化铟(InP)化镓(GaAs)板或衬底场份额。菲涅耳透镜(InfraredFresnellenses)

[4]

价格昂

用会经常导致其内部组织结构的改变(即相变,Phasetransformation)[17218]。本文对纳米压痕技

贵,且不易获得。纳米级切削加工过程十分复杂,其中被加工材料的纳米尺度力学性能是一个关键。近年来微纳机电系统(MEMS/NEMS)的研究取得了长足进展,部分产品已达到实用化阶段,如微压力传感器、加速度计、微喷头等,但微纳制造与装配技术的不足和可供实际应用的相关材料力学性能参数的缺乏[5]仍在很大程度上制约了MEMS/NEMS技术及相关高技术领域的深入研

术进行了分析。在此基础上,借助于纳米压痕技术,针对单晶硅薄片进行了纳米力学性能的测试分析,考证了其硬脆性特性,并研究了其延性变形特点;通过分析不同载荷下压痕测试的载荷2压痕深度试验关系曲线和硬度测试结果对载荷力与单晶硅相变的关系进行了分析。

究和产业化步伐,成为阻碍这项研究的瓶颈。因此,开展MEMS/NEMS构件的纳米力学性能评定方法与测试手段的研究具有十分重要的意义,已得到国内外众多研究机构的重视[528,13]。此外,随着新型纳米材料、生物医学工程的发展,研发人员迫切希望探求纳米尺度下纳米晶体、纳米管、薄膜材料、生物人体组织等的力学性能和损伤机制[9213]。这些研究工作推动了相关领域的理论研究,加速了实际开发应用的快速发展。近年来,有

2　纳米压痕技术

　　在材料微构件纳米尺度下力学特性测试上,以纳米压痕技术(Nanoindentation)最具代表性。纳米压痕,又名具有深度传感功能的纳米压痕测试(Depth2sensingnanoindentationtests)。纳米压痕测试技术是一种用于测量材料表面力学性能的先进技术。其原理是:在加载过程中,试样表面在压头作用下首先发生弹性变形,随着载荷的增