不同濕度和水下單晶硅的納米磨損研究.pdf

1、隨著納米科技的快速發(fā)展，硅基微機電系統(tǒng)(MEMS)已廣泛應(yīng)用于人類生活、醫(yī)學(xué)、先進(jìn)制造、軍事國防等眾多領(lǐng)域。然而在潮濕環(huán)境下，微觀磨損問題已成為硅基MEMS長期可靠服役的關(guān)鍵影響因素。此外，納米制造是支撐納米科技走向應(yīng)用的基礎(chǔ)，典型的納米制造技術(shù)（如化學(xué)機械拋光，CMP）中均涉及大量的微觀磨損問題。因此，微觀磨損不僅是微機電系統(tǒng)應(yīng)用中的關(guān)鍵問題，更已成為納米制造的共性基礎(chǔ)問題。以往關(guān)于單晶硅的微觀磨損研究主要集中于低濕度環(huán)境（如RH＜6

2、5％），而高濕度環(huán)境和水環(huán)境下的磨損規(guī)律卻很少有研究涉及。因此，為了全面深入理解環(huán)境水分對單晶硅微觀磨損的影響機制，亟需開展全濕度范圍內(nèi)和水環(huán)境下的單晶硅微觀磨損研究。相關(guān)研究成果不但可以豐富納米摩擦學(xué)基礎(chǔ)理論，而且有助于優(yōu)化CMP的拋光工藝和促進(jìn)MEMS的實用化進(jìn)程。
　　本文基于硅/二氧化硅摩擦副，對單晶硅在不同濕度條件(RH=0％-90％)和水下的微觀磨損規(guī)律及其機理做了系統(tǒng)深入地研究。首先，借助宏觀磨損設(shè)備，探索了單晶硅表

3、面的摩擦化學(xué)磨損規(guī)律及其影響因素，從而為后續(xù)微觀磨損實驗的開展提供了參考;其次，通過環(huán)境可控原子力顯微鏡的改裝，成功實現(xiàn)了全濕度范圍內(nèi)的單晶硅磨損實驗，研究揭示了單晶硅在不同濕度環(huán)境下的磨損演變規(guī)律;在此基礎(chǔ)上，重點探索了水環(huán)境下法向載荷和循環(huán)次數(shù)等因素對單晶硅微觀磨損的影響;最后，借助高分辨率透射電子顯微鏡以及不同硅樣品的對比實驗揭示了單晶硅的磨損機制。本論文通過對單晶硅磨損行為的系統(tǒng)研究，得出的主要結(jié)論及創(chuàng)新點如下:
　　(1

4、)揭示了環(huán)境氧分和吸附水膜厚度對單晶硅宏觀摩擦化學(xué)磨損的影響機制
　　通過對現(xiàn)有的宏觀實驗設(shè)備進(jìn)行改裝，研究了不同氧含量環(huán)境下單晶硅的宏觀磨損規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)原始硅在氮氣環(huán)境下時，其表面的磨損較輕微;而在干燥空氣和氧氣環(huán)境下時，原始硅的磨損比在氮氣環(huán)境下要嚴(yán)重。此外，通過三種具有不同表面親疏水性質(zhì)的硅樣品，研究了吸附水膜厚度對單晶硅磨損的影響。發(fā)現(xiàn)在一定工況下，硅表面的磨損隨著水膜厚度的增加而加劇。進(jìn)一步研究表明，環(huán)境中氧分和硅

5、表面的吸附水膜均能促進(jìn)單晶硅的摩擦化學(xué)磨損。該研究結(jié)果為后續(xù)開展環(huán)境水分對單晶硅微觀磨損的影響研究提供了參考。
　　(2)闡明了單晶硅在全濕度范圍內(nèi)（RH=0％-90％）納米磨損的演變規(guī)律
　　通過對環(huán)境可控原子力顯微鏡進(jìn)行改裝，成功實現(xiàn)了全濕度范圍內(nèi)(RH=0％-90％)的單晶硅納米磨損實驗。研究表明，當(dāng)環(huán)境相對濕度較低(RH＜10％)時，硅表面會出現(xiàn)隆起狀的損傷;隨著環(huán)境濕度的增加(RH＜50％)，硅表面的磨損逐漸由隆起

6、過渡至溝槽，溝槽的深度在RH=50％時達(dá)到最大值;隨著相對濕度進(jìn)一步增加，硅表面的溝槽狀磨損逐漸減弱，并當(dāng)RH＞85％時轉(zhuǎn)變?yōu)榻茻o磨損狀態(tài)?？梢?，隨著環(huán)境濕度的增加，單晶硅表面的微觀磨損并非一直加劇，而是表現(xiàn)出一個先加劇后減弱的變化過程。該研究為MEMS的微觀磨損防護(hù)提供了新途徑。
　　(3)撇清了彈性流體潤滑和雙電層效應(yīng)對單晶硅表面在水環(huán)境下納米磨損的影響，揭示了水環(huán)境下單晶硅的摩擦化學(xué)磨損機制
　　為了研究單晶硅表面在

7、水環(huán)境下的納米磨損規(guī)律，對比研究了大氣(RH=～50％)和水下法向載荷和循環(huán)次數(shù)等因素對單晶硅磨損的影響。研究表明，在大氣下，硅表面的納米磨損隨著循環(huán)次數(shù)及法向載荷的增加而加劇。然而在水中，不同循環(huán)次數(shù)及法向載荷下硅表面的磨損均較輕微。不同速度的磨損實驗及NaCl溶液中的磨損實驗表明，彈性流體潤滑和雙電層效應(yīng)均不是抑制單晶硅表面在水環(huán)境下磨損的主導(dǎo)因素。該研究表明在水環(huán)境中，摩擦化學(xué)反應(yīng)對單晶硅材料的微觀去除起到了主導(dǎo)作用。
　　

8、(4)揭示出不同濕度下硅表面水膜厚度及其結(jié)構(gòu)的不同和摩擦界面間“Si-O-Si”鍵橋的形成數(shù)量的變化是單晶硅摩擦化學(xué)磨損的關(guān)鍵機制
　　研究表明，當(dāng)RH＜10％時，硅表面形成不到1層的類冰相水，此時摩擦界面間不易形成“Si-O-Si”鍵橋，硅表面的磨損由機械作用所主導(dǎo);當(dāng)10％＜RH＜50％時，硅表面形成1-3層類冰相水，“Si-O-Si”鍵橋易形成并加劇單晶硅的摩擦化學(xué)磨損;當(dāng)RH＞50％時（含水下），液相水會逐漸形成并在一定程

9、度上抑制“Si-O-Si”鍵橋的形成，此時單晶硅的摩擦化學(xué)磨損逐漸減弱。因此，單晶硅表面的水膜厚度及其結(jié)構(gòu)的不同和摩擦界面間“Si-O-Si”鍵橋的形成數(shù)量的變化影響著單晶硅的摩擦化學(xué)磨損。該研究結(jié)果進(jìn)一步揭示了材料的微觀去除機理并豐富了納米摩擦學(xué)理論。
　　綜上所述，不同濕度條件下硅表面水膜厚度及其結(jié)構(gòu)的不同和摩擦界面間“Si-O-Si”鍵橋的形成數(shù)量的變化均會對硅表面的摩擦化學(xué)磨損造成影響。本文通過對單晶硅納米磨損的研究，不僅