微尺度下單晶硅疲勞失效機理的分子動力學模擬研究.pdf

1、微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技術是在集成電路基礎上發(fā)展起來的。硅作為MEMS和集成電路主要材料，MEMS主要利用其機械特性，而集成電路主要利用其電學特性。因此，隨著MEMS的發(fā)展，以前在集成電路研究中所忽視的機械特性也得到越來越多的重視。疲勞是機械產品與結構的最主要失效模式，也是機械強度和可靠性領域的研究熱點。自從Connally和Brown1992年在《Science》發(fā)表原創(chuàng)

2、性論文發(fā)現硅微結構在交變載荷下存在此前在宏觀試樣并未發(fā)現過的疲勞特性，國內外研究人員進行了大量研究，希望能夠探明硅微結構的疲勞失效機理。但是直到現在硅微結構的疲勞失效影響因素仍不明確，其疲勞失效機理還存在較大爭議。目前硅微結構的疲勞失效機理主要是根據實驗現象，對疲勞過程提出的某種闡述，按照“由表及里”的研究思路進行的。而目前疲勞機理的爭議表明，僅僅采取這種研究思路具有其固有的局限性。本研究主要內容包括：
　?、叛芯苛顺睗癍h(huán)境對表面

3、氧化層和硅微結構斷裂強度的影響及其機理。準靜態(tài)拉伸模擬的結果表明，在干燥條件下，無定形二氧化硅（a-SiO2，代表硅微結構的表面氧化層）的拉伸強度為9.4 GPa，而在含液態(tài)水時則下降為4.7 GPa，表明液體水使得 a-SiO2拉伸強度發(fā)生顯著下降；干燥條件下 a-SiO2結構的剛度隨著拉伸應變的增加保持穩(wěn)定，而含液體水 a-SiO2的剛度隨著拉伸應變的增加而逐步降低，并且高應變時的應力-應變曲線呈現類似于金屬的屈服現象，這一現象是由

4、隨應力增大而加速的水解反應所導致的。含表面氧化層的硅薄膜在干燥環(huán)境下的斷裂強度為16.3 GPa，而在液態(tài)水中的斷裂強度為11.2 GPa。在兩種環(huán)境中，裂紋均是從硅結構內部萌生的，而不是從表面氧化層萌生。
　?、蒲芯苛撕愣ㄝd荷下表面氧化層和硅微結構的疲勞失效機理。以二氧化硅的晶體形態(tài)為對象，研究液態(tài)水中的α-石英受到拉伸應力時的應力腐蝕開裂過程。模擬結果表明，對于液態(tài)水中受到三種小于斷裂強度的拉伸應變的試樣，均觀察到了顯著的裂紋

5、擴展，且裂紋擴展速率均明顯大于宏觀體塊試樣的裂紋擴展速率實驗值。裂紋尖端的應力分布表明裂紋沿著最大應力的方向傳播，并且應變隨著裂紋的傳播而得到釋放。當拉伸應變增加時，觀察到了包括應力腐蝕開裂和類似于脆性斷裂中的純機械應力開裂的混合開裂模式。研究了液態(tài)水中的含表面氧化層的硅微結構在受到彎曲靜載荷下的疲勞過程。模擬結果表明，表面氧化層在液態(tài)水和彎曲拉應力作用下會發(fā)生裂紋擴展，在大部分應力條件下裂紋擴展終止于表面氧化層和硅結構的界面。只有在受

6、到很大應變的條件，裂紋擴展變得不穩(wěn)定并向硅結構傳播，引起硅結構的靜疲勞失效。
　?、茄芯苛遂o應力下硅微結構在室溫下的氧化過程。模擬結果表明拉伸應力下得到的氧化層厚度大于無應力下的氧化層厚度。應力分析表明，拉伸應力下氧化得到的表面氧化層與無應力條件下的氧化結果一樣，均沒有可分辨的內應力，很好地解釋了靜疲勞實驗中看似矛盾的實驗結果。
　?、妊芯苛斯栉⒔Y構在循環(huán)載荷下的疲勞過程：研究了真空條件下的單晶硅在循環(huán)應力作用下的疲勞過程，

7、在100次循環(huán)模擬結果中未觀察到任何疲勞裂紋形成和擴展的跡象；研究純氧條件下單晶硅在循環(huán)應力作用下的疲勞過程，發(fā)現了循環(huán)應力對氧化具有增強作用，首次發(fā)現了循環(huán)應力導致的氧化層增厚現象。同時發(fā)現應力比對循環(huán)應力下的氧化具有重要影響，相對于應力比非負的循環(huán)應力，應力比為負的循環(huán)應力對氧化的增強作用更為明顯。以上結果很好解釋了目前硅微結構主要疲勞機理的爭議；循環(huán)應力增厚的氧化層沿單晶硅的解理面擴展，且氧化層的擴散降低了硅結構的強度，首次在微觀

8、模擬發(fā)現了單晶硅的疲勞機理；對比模擬表明，水的存在增強了氧氣在二氧化硅內的擴散，從而增強了循環(huán)應力下的氧化過程；提出了硅微結構新的疲勞機理解釋：硅微結構的疲勞包括兩個不同的過程：本生氧化層的疲勞和增厚氧化層的疲勞。本生氧化層的疲勞機理是潮濕環(huán)境中的二氧化硅在拉伸應力下發(fā)生應力腐蝕開裂。增厚氧化層的疲勞是由循環(huán)應力增強的氧化過程和潮濕環(huán)境增強擴散過程兩種機理共同作用。
　　⑸環(huán)境對單晶硅拉伸強度和靜疲勞影響的實驗驗證。搭建了硅微結構