单晶硅表面氢钝化时效性及其对摩擦学性能的影响

摘要

单晶硅作为典型的半导体材料，目前已被广泛应用于微机电系统以及微纳加工领域。然而，伴随着器械尺度的不断微型化，由表面力引起的黏着及摩擦问题，不仅成为制约微机电系统可靠服役的关键因素，而且对微纳器件的加工质量产生严重的影响。因此，如何实现单晶硅表面的抗黏减摩设计受到越来越多的关注。表面氢钝化作为单晶硅表面化学改性的一种常见方法，因其操作简单，适应性强，目前已广泛应用于集成电路清洗、硅基太阳能电池制造等领域。然而，由于氧化作用等的影响，单晶硅氢钝化表面的斥水性能会逐渐退化，因此有必要系统研究表面氧化对单晶硅氢钝化时效性的影响机制。据此，本文首先通过研究单晶硅氢钝化表面的水接触角及化学成分随放置时间的变化规律，揭示了不同放置环境对氢钝化表面时效性的影响机制。在此基础上，进一步研究了氢钝化时效性对单晶硅表面黏着及摩擦的影响规律。最后，基于单晶硅表面的自然氧化层，提出了一种单晶硅表面小线宽结构的纳米加工方法。本论文的主要研究结果及创新点如下:
　　1.揭示了放置环境对单晶硅表面氢钝化时效性的影响机制。
　　单晶硅氢钝化表面的水接触角在大气、纯水和酒精环境下随放置时间的增加均逐渐降低，其中水环境下的变化程度尤为剧烈，大气环境次之，酒精溶液中变化最小。表面化学成分检测结果显示，单晶硅表面氧含量随着放置时间的增加而不断升高，其中水环境下氧含量上升最为明显，酒精溶液氧含量变化微弱。因此，酒精溶液能在一定程度上抑制单晶硅表面的氧化反应，从而延长单晶硅氢钝化表面的时效性。
　　2.探明了不同放置环境下氢钝化时效性对单晶硅表面黏着和摩擦的影响规律。
　　随着放置时间的增加，三种环境下氢钝化表面的黏着力和摩擦力均呈现上升趋势。但由于受到表面氧化程度和表面斥水性不同的影响，酒精溶液环境下黏着力和摩擦力随放置时间的增加变化较小;大气和水环境下变化较为剧烈，且相比之下水环境下对黏着和摩擦的影响更为显著。因此，单晶硅存放在酒精溶液中有利于降低其表面的黏着和摩擦。
　　3.提出一种单晶硅表面小线宽纳米结构的加工方法。
　　基于小曲率半径氮化硅探针对单晶硅表面（含自然氧化层）的刻划结合后续选择性刻蚀，可以实现单晶硅表面的小线宽纳米结构加工。研究表明，摩擦化学作用下氮化硅探针刻划导致表面氧化层去除后暴露出硅基体，而KOH溶液选择性刻蚀硅基体导致沟槽深度进一步加深。因此，前期的探针刻划载荷和循环刻划次数以及刻蚀时间均会对纳米沟槽的线宽及深度产生一定的影响。为了保证单晶硅表面的加工质量，最佳刻蚀时间大约为7 min。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 微机电系统中的纳米摩擦学问题

1．2．1 微机电系统概述

1．2．2 微机电系统的应用

1．2．3 微机电系统中的黏着及摩擦问题

1．2．4 微机电系统中的抗黏减摩设计

1．3 单晶硅材料的表面改性

1．3．1 单晶硅概述

1．3．2 单晶硅表面改性及方法

1．4 单晶硅表面氢钝化的应用及研究进展

1．4．1 单晶硅表面氢钝化

1．4．2 单晶硅表面氢钝化的应用

1．4．3 单晶硅表面氢钝化的研究进展

1．5 课题研究意义及研究内容

1．5．1 课题研究意义

1．5．2 研究内容

第二章 实验材料和研究方法

2．1 实验材料

2．1．1 实验样品

2．1．2 刻蚀溶液

2．1．3 加工探针

2．1．4 表征探针

2．2 实验设备

2．2．1 原子力显微镜

2．2．2 接触角视频测量仪

2．2．3 X-射线光电子能谱仪

2．3 实验方法

2．3．1 样品制作

2．3．2 黏着力测量

2．3．3 摩擦力测量

第三章 单晶硅表面氢钝化的时效性分析

3．1 表面接触角随放置时间的变化规律探究

3．2 表面化学成分随放置时间的变化规律探究

3．2．1 不同放置环境下XPS全谱分析

3．2．2 不同放置环境下Si2p单谱分析

3．3 本章小结

第四章 单晶硅表面氢钝化时效性对其摩擦学性能的影响探究

4．1 氢钝化时效性对黏着力的影响探究

4．1．1 氢钝化时效性对黏着力的影响规律

4．1．2 氢钝化时效性对黏着力的影响机制

4．2 氢钝化时效性对摩擦力的影响规律探究

4．3 本章小结

第五章 基于硅表面氧化层的小线宽纳米结构加工

5．1 单晶硅表面氧化层掩膜能力探究

5．2 探针曲率半径对纳米沟槽线宽的影响

5．3 加工参数对纳米加工结果的影响

5．3．1 刻划载荷对单晶硅表面纳米加工的影响

5．3．2 刻划次数对单晶硅表面纳米加工的影响

5．4 加工机理探究

5．4．1 Si3N4探针摩擦诱导刻划机理

5．4．2 KOH溶液对单晶硅表面氧化层的选择性刻蚀机理

5．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果