文章來源：晶格半導(dǎo)體

原文作者：晶格半導(dǎo)體

本文介紹了單晶硅納米力學(xué)性能是如何測試的。

在材料納米力學(xué)性能測試的眾多方法中，納米壓痕技術(shù)憑借其獨特的優(yōu)勢脫穎而出，成為當(dāng)前的主流測試手段。納米壓痕，又稱深度傳感納米壓痕測試，它通過在試樣表面施加逐漸增大的載荷，使試樣經(jīng)歷彈性變形、延性變形直至脆性斷裂的過程。在這個過程中，記錄加載 - 卸載曲線，通過對曲線的分析，就能夠獲取材料的硬度、彈性模量等關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)。不僅如此，結(jié)合掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)等設(shè)備，還可以對測試后的試樣進(jìn)行微觀觀測，深入了解材料的損傷機(jī)制和內(nèi)部缺陷。

在進(jìn)行納米壓痕試驗時，壓頭的選擇至關(guān)重要。自然界中純凈的單晶金剛石，因其具有高硬度、良好的熱傳導(dǎo)性和穩(wěn)定的化學(xué)特性，成為納米壓頭的首選材料。

其獨特的晶體結(jié)構(gòu)決定了壓頭的形狀與原子級晶體取向密切相關(guān)，通常壓頭的軸向與 [100] 晶向一致。不過，由于單晶金剛石的晶體各向異性強(qiáng)烈，在加工具有圓形特征的納米壓頭時存在一定困難。相比之下，藍(lán)寶石雖然硬度略遜一籌，但晶體各向異性較弱，適合加工球形、錐形等特殊形狀的納米壓頭。國際上針對納米壓頭的尺寸和形狀也制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性。

為了深入探究單晶硅的納米力學(xué)性能，研究人員借助納米壓痕技術(shù)，采用尖端四面體 Vickers 型單晶金剛石壓頭，對單晶硅(100)晶面展開了一系列的壓痕實驗。在實驗過程中，當(dāng)施加的最大載荷達(dá)到 1000mN 時，單晶硅表面出現(xiàn)了明顯的裂紋和脆性斷裂，這清晰地展示了單晶硅在高載荷下的硬脆特性。而當(dāng)載荷低于 80mN 時，單晶硅則表現(xiàn)出令人驚訝的延性特性，壓痕附近區(qū)域并未出現(xiàn)裂紋。這一發(fā)現(xiàn)為單晶硅的微納米級切削加工提供了重要的指導(dǎo)，意味著在加工微小型硅構(gòu)件時，選擇合適的載荷條件，使單晶硅處于延性狀態(tài)進(jìn)行加工，能夠有效提高加工質(zhì)量，減少裂紋等缺陷的產(chǎn)生。

研究人員還對不同載荷條件下晶體硅的硬度進(jìn)行了測試。實驗結(jié)果顯示，不同載荷下晶體硅的硬度測量值存在顯著差異。經(jīng)過深入分析，發(fā)現(xiàn)這種差異源于壓痕區(qū)域晶體硅所受壓力不同，進(jìn)而導(dǎo)致晶體硅內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。通過大量實驗數(shù)據(jù)的分析和處理，最終確定較為準(zhǔn)確的單晶硅硬度測量值為 15.7GPa。此外，通過對載荷 - 壓痕深度實驗關(guān)系曲線的研究發(fā)現(xiàn)，卸載曲線會出現(xiàn)斜率變化顯著的拐點或變化平緩的階段，這進(jìn)一步證實了在納米壓痕測試過程中，晶體硅的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。

對單晶硅納米力學(xué)性能的研究具有重要的現(xiàn)實意義。在微納制造領(lǐng)域，精確掌握單晶硅的力學(xué)性能有助于優(yōu)化加工工藝，提高微納構(gòu)件的制造精度和質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。在生物醫(yī)學(xué)工程中，單晶硅作為生物傳感器等器件的材料，其納米力學(xué)性能的研究為提高器件的生物相容性和穩(wěn)定性提供了理論依據(jù)。隨著科技的不斷進(jìn)步，對單晶硅納米力學(xué)性能的研究也將不斷深入，未來有望在更多領(lǐng)域取得突破，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入新的活力。