發(fā)布時(shí)間：2020-11-06 13:36

　　 納米加工技術(shù)是納米技術(shù)的重要組成部分,發(fā)展納米加工技術(shù)的一個(gè)重要途徑就是采用非傳統(tǒng)的超精密加工技術(shù)將加工尺寸和精度向極限逼近,達(dá)到納米加工的水平。為此,在納觀尺度上研究納米刻劃加工的材料去除和表面創(chuàng)成機(jī)理,將為納米刻劃加工技術(shù)的工藝優(yōu)化和加工預(yù)測(cè)模型的建立提供理論基礎(chǔ)。本文對(duì)兩種半導(dǎo)體晶體材料(單晶硅、單晶鍺)的納米機(jī)械刻劃加工表面創(chuàng)成機(jī)理進(jìn)行了研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了壓痕/刻劃中兩種半導(dǎo)體晶體材料的力學(xué)響應(yīng)行為。從原子重排、重構(gòu)的角度,以晶體結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)理論作為基礎(chǔ),研究半導(dǎo)體晶體材料的黏著、形變等力學(xué)行為。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算,對(duì)納米刻劃加工中,刻劃區(qū)域的晶格變形、位錯(cuò)等進(jìn)行定量分析,研究納米刻劃加工表面創(chuàng)成的動(dòng)態(tài)過(guò)程與規(guī)律�；谏鲜鰴C(jī)械刻劃?rùn)C(jī)理研究,利用原子力顯微鏡納米刻劃加工系統(tǒng),研究納米結(jié)構(gòu)陣列的刻劃工藝策略及方法。通過(guò)納米壓痕/刻劃儀研究半導(dǎo)體晶體材料在壓痕/刻劃中的力學(xué)響應(yīng),發(fā)現(xiàn)在壓痕階段,半導(dǎo)體晶體材料塑性壓深與最大壓深的比值基本是保持不變的。在刻劃階段,為了能夠獲得相對(duì)較好的加工表面質(zhì)量,應(yīng)控制刻劃載荷在40mN以下,刻劃速度為4μm/s左右。通過(guò)Zhang的“pop-out”現(xiàn)象分析發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體晶體材料在刻劃過(guò)程中有相變產(chǎn)生,以及對(duì)Zhang的單晶硅位錯(cuò)理論模型的建立及推廣,得到了半導(dǎo)體晶體材料的臨界載荷值,即單晶硅Pc=2.24mN,單晶鍺Pc=2.26mN。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)仿真研究發(fā)現(xiàn),在探針壓痕過(guò)程中,探針開始接觸和卸載脫離材料表面時(shí)會(huì)出現(xiàn)黏著現(xiàn)象;探針壓入過(guò)程引起材料原子晶格畸變和晶格轉(zhuǎn)變或非晶化;最大壓深10A時(shí)材料開始出現(xiàn)少量的六邊形金剛石晶格結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和位錯(cuò)現(xiàn)象,內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)之中會(huì)形成殘余應(yīng)力。在探針刻劃過(guò)程中,探針前端的部分材料原子向探針的前上方剪切滑移,產(chǎn)生剪切流動(dòng),最終形成探針前端的材料堆積或刻劃切屑。同時(shí)部分亞表層的材料原子向探針下方剪切滑移,這部分材料原子將形成材料的已刻劃表面(刻劃溝槽表面)�？虅澅砻娈a(chǎn)生永久變形,形成刻劃溝槽,亞表層原子中出現(xiàn)殘余彈性形變和殘余應(yīng)力。通過(guò)AFM加工系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn):單晶硅材料水平平行直槽陣列和豎直平行直槽陣列溝槽的實(shí)際深度分別是理論深度的40%左右和20%左右,單晶鍺材料水平平行直槽陣列和豎直平行直槽陣列溝槽的實(shí)際深度分別是理論深度的50%左右和30%左右。單晶硅材料上和單晶鍺材料上刻劃形成的正交直槽方形陣列,其寬度分別在30nm-250nm范圍內(nèi),波動(dòng)值約為5%-20%和50nm-300nm范圍內(nèi),波動(dòng)值約為5%-15%。在相同的理論刻劃深度條件下,單晶鍺的刻劃結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量比單晶硅的刻劃表面質(zhì)量要好。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN305.1
【部分圖文】：

２．１實(shí)驗(yàn)方法??本實(shí)驗(yàn)使用英國(guó)Ｍｉｃｒｏ?Ｍａｔｅｒｉａｌｓ公司的ＮａｎｏＴｅｓｔ?Ｖａｎｔａｇｅ的納米壓痕／刻劃儀，??如圖２－１所示。該設(shè)備的基本平臺(tái)系統(tǒng)由低載荷系統(tǒng)、高載荷系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、??控制平臺(tái)和裝有ＮａｎｏＴｅｓｔ平臺(tái)系統(tǒng)的電腦客戶端組成。其中，低載荷系統(tǒng)的載荷施??加范圍在０．０５ｍＮ－５００ｍＮ，高載荷系統(tǒng)的載荷施加范圍在５００ｍＮ－２０Ｎ。??／ｆ?ｔ?，?＼??／?高，系Ｉ?＼??／?—看??－?控制平臺(tái)＇??，電子控制系統(tǒng)?＼??圖２－１納米壓痕／刻劃儀設(shè)備??在本實(shí)驗(yàn)中，選擇低載荷系統(tǒng)控制平臺(tái)，其載荷分辨率在３０ｎＮ以下。本實(shí)驗(yàn)??選擇的是Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ壓頭，其與Ｖｉｃｋｅｒｓ壓頭在等高時(shí)具有相同的表面積和投影面積，??且其能夠消除Ｖｉｃｋｅｒｓ壓頭尖端橫刃的影響［４５］。此外，Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ壓頭的尖端部分曲??率半徑小

?３０、５０、８０、１００、１２０??為減少偶然誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確性的影響，每種實(shí)驗(yàn)條件重復(fù)９次，排列成３ｘ３??陣列形式，實(shí)驗(yàn)示意圖如圖２－３所示。??Ｒ５??ｗｒｒ?＼?▼▼▼??／?▼▼▼?▼▼▼?＼??／?▼▼▼?▼▼▼?＼??、?▼▼▼?？?▼▼▼??＼?▼▼▼?▼▼▼?Ｊ?一丄一??圖２－３壓痕實(shí)驗(yàn)中試樣的壓痕示意圖??２．２．１載荷－位移曲線分析??在壓痕實(shí)驗(yàn)研究中，壓痕載荷一位移的曲線圖（也稱為曲線圖）是研究的??主要依據(jù)，壓痕載荷－位移曲線示意圖如圖２－４所示。??１１??

?壓深?ｈ??圖２－４壓入載荷一深度曲線示意圖??由圖２－４可知，當(dāng)載荷達(dá)到最大載荷？時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大壓深為／ｉｍ；?＆對(duì)應(yīng)的是??過(guò)坐標(biāo)點(diǎn)（／ｉｍ，Ｐｍ）引出的切線與橫坐標(biāo)壓深的交點(diǎn)，／ｉｐ對(duì)應(yīng)的是完全卸載時(shí)的塑??性壓深。在壓入過(guò)程中，壓入總功轉(zhuǎn)化成材料變形的彈性能和塑性能。壓入總功％可??以通過(guò)計(jì)算曲線圖中加載曲線下方的面積確定，表示為：??＝?ｆ＾Ｆｄｈ?（２－１）??在卸載過(guò)程中，僅有部分彈性能釋放出來(lái)；由于塑性形變的存在，部分彈性能??無(wú)法完全釋放，而是以殘余彈性形變的形式存在于材料中［５（）＿５１］。彈性恢復(fù)所釋放的??彈性變形能％可通過(guò)計(jì)算ｐ／ｚ曲線圖中卸載曲線下方的面積確定，表示為：??Ｗｕ＾ｊ＾Ｆｄｈ?（２－２）??如定義ｔ？／７？為：??如＝會(huì)?（２－３）??即仏７表示％與％之比，稱其為壓入功恢復(fù)率。壓入功恢復(fù)率可作為表征材料發(fā)生??彈塑性變形過(guò)程中彈性恢復(fù)的一種指標(biāo)。??在壓痕實(shí)驗(yàn)研究中
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前8條

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2 唐玉蘭;胡適;王東旭;趙健偉;梁迎春;董申;;納米工程中大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)仿真算法的研究進(jìn)展[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2008年02期

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3 胡振江;基于AFM探針刻劃可控三維微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

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2 楊帆;基于AFM的納米機(jī)械刻劃切屑形成過(guò)程試驗(yàn)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

本文編號(hào)：2873204