不同湿度和水下单晶硅的纳米磨损研究

摘要

随着纳米科技的快速发展，硅基微机电系统(MEMS)已广泛应用于人类生活、医学、先进制造、军事国防等众多领域。然而在潮湿环境下，微观磨损问题已成为硅基MEMS长期可靠服役的关键影响因素。此外，纳米制造是支撑纳米科技走向应用的基础，典型的纳米制造技术（如化学机械抛光，CMP）中均涉及大量的微观磨损问题。因此，微观磨损不仅是微机电系统应用中的关键问题，更已成为纳米制造的共性基础问题。以往关于单晶硅的微观磨损研究主要集中于低湿度环境（如RH＜65％），而高湿度环境和水环境下的磨损规律却很少有研究涉及。因此，为了全面深入理解环境水分对单晶硅微观磨损的影响机制，亟需开展全湿度范围内和水环境下的单晶硅微观磨损研究。相关研究成果不但可以丰富纳米摩擦学基础理论，而且有助于优化CMP的抛光工艺和促进MEMS的实用化进程。
　　本文基于硅/二氧化硅摩擦副，对单晶硅在不同湿度条件(RH=0％-90％)和水下的微观磨损规律及其机理做了系统深入地研究。首先，借助宏观磨损设备，探索了单晶硅表面的摩擦化学磨损规律及其影响因素，从而为后续微观磨损实验的开展提供了参考;其次，通过环境可控原子力显微镜的改装，成功实现了全湿度范围内的单晶硅磨损实验，研究揭示了单晶硅在不同湿度环境下的磨损演变规律;在此基础上，重点探索了水环境下法向载荷和循环次数等因素对单晶硅微观磨损的影响;最后，借助高分辨率透射电子显微镜以及不同硅样品的对比实验揭示了单晶硅的磨损机制。本论文通过对单晶硅磨损行为的系统研究，得出的主要结论及创新点如下:
　　(1)揭示了环境氧分和吸附水膜厚度对单晶硅宏观摩擦化学磨损的影响机制
　　通过对现有的宏观实验设备进行改装，研究了不同氧含量环境下单晶硅的宏观磨损规律。结果表明，当原始硅在氮气环境下时，其表面的磨损较轻微;而在干燥空气和氧气环境下时，原始硅的磨损比在氮气环境下要严重。此外，通过三种具有不同表面亲疏水性质的硅样品，研究了吸附水膜厚度对单晶硅磨损的影响。发现在一定工况下，硅表面的磨损随着水膜厚度的增加而加剧。进一步研究表明，环境中氧分和硅表面的吸附水膜均能促进单晶硅的摩擦化学磨损。该研究结果为后续开展环境水分对单晶硅微观磨损的影响研究提供了参考。
　　(2)阐明了单晶硅在全湿度范围内（RH=0％-90％）纳米磨损的演变规律
　　通过对环境可控原子力显微镜进行改装，成功实现了全湿度范围内(RH=0％-90％)的单晶硅纳米磨损实验。研究表明，当环境相对湿度较低(RH＜10％)时，硅表面会出现隆起状的损伤;随着环境湿度的增加(RH＜50％)，硅表面的磨损逐渐由隆起过渡至沟槽，沟槽的深度在RH=50％时达到最大值;随着相对湿度进一步增加，硅表面的沟槽状磨损逐渐减弱，并当RH＞85％时转变为近似无磨损状态。可见，随着环境湿度的增加，单晶硅表面的微观磨损并非一直加剧，而是表现出一个先加剧后减弱的变化过程。该研究为MEMS的微观磨损防护提供了新途径。
　　(3)撇清了弹性流体润滑和双电层效应对单晶硅表面在水环境下纳米磨损的影响，揭示了水环境下单晶硅的摩擦化学磨损机制
　　为了研究单晶硅表面在水环境下的纳米磨损规律，对比研究了大气(RH=～50％)和水下法向载荷和循环次数等因素对单晶硅磨损的影响。研究表明，在大气下，硅表面的纳米磨损随着循环次数及法向载荷的增加而加剧。然而在水中，不同循环次数及法向载荷下硅表面的磨损均较轻微。不同速度的磨损实验及NaCl溶液中的磨损实验表明，弹性流体润滑和双电层效应均不是抑制单晶硅表面在水环境下磨损的主导因素。该研究表明在水环境中，摩擦化学反应对单晶硅材料的微观去除起到了主导作用。
　　(4)揭示出不同湿度下硅表面水膜厚度及其结构的不同和摩擦界面间“Si-O-Si”键桥的形成数量的变化是单晶硅摩擦化学磨损的关键机制
　　研究表明，当RH＜10％时，硅表面形成不到1层的类冰相水，此时摩擦界面间不易形成“Si-O-Si”键桥，硅表面的磨损由机械作用所主导;当10％＜RH＜50％时，硅表面形成1-3层类冰相水，“Si-O-Si”键桥易形成并加剧单晶硅的摩擦化学磨损;当RH＞50％时（含水下），液相水会逐渐形成并在一定程度上抑制“Si-O-Si”键桥的形成，此时单晶硅的摩擦化学磨损逐渐减弱。因此，单晶硅表面的水膜厚度及其结构的不同和摩擦界面间“Si-O-Si”键桥的形成数量的变化影响着单晶硅的摩擦化学磨损。该研究结果进一步揭示了材料的微观去除机理并丰富了纳米摩擦学理论。
　　综上所述，不同湿度条件下硅表面水膜厚度及其结构的不同和摩擦界面间“Si-O-Si”键桥的形成数量的变化均会对硅表面的摩擦化学磨损造成影响。本文通过对单晶硅纳米磨损的研究，不仅丰富了纳米摩擦学基础理论，而且为MEMS的摩擦学设计和CMP的工艺优化提供了理论依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 微／纳制造中的磨损问题

1．2．1 化学机械抛光概述

1．2．2 单晶硅化学机械抛光的研究进展

1．3 纳米技术应用中的磨损问题

1．3．1 微机电系统概述

1．3．2 微机电系统的应用

1．3．3 微机电系统的微观磨损研究进展

1．4 纳米磨损的相关机理研究进展

1．4．1 单晶硅在不同湿度环境下的机械磨损

1．4．2 单晶硅在不同湿度环境和水下的摩擦化学磨损

1．5 选题意义及内容

1．5．1 选题意义

1．5．2 研究方案和内容

第2章 实验材料和研究方法

2．1 实验材料

2．2 实验设备和方法

2．2．1 宏观磨损的实验设备和方法

2．2．2 微观磨损的实验设备和方法

2．3 微观实验参数设定及数据处理

2．3．1 载荷参数的设定

2．3．2 微观实验数据检测和处理

2．4 本章小结

第3章 水和氧对硅／二氧化硅配副宏观磨损的影响

3．1 吸附水膜对硅／二氧化硅配副摩擦化学磨损的影响

3．1．1 吸附水膜对单晶硅表面磨损的影响

3．1．2 吸附水膜对硅／二氧化硅配副摩擦系数的影响

3．2 环境气氛中的氧含量对硅／二氧化硅摩擦化学磨损的影响

3．2．1 环境气氛中的氧含量对单晶硅表面磨损的影响

3．2．2 环境气氛中的氧含量对摩擦系数的影响

3．3 硅／二氧化硅宏观摩擦化学磨损的机理

3．3．1 吸附水膜对硅表面摩擦化学磨损的影响机制

3．3．2 环境中的氧含量对硅表面摩擦化学磨损的影响机制

3．4 本章小结

第4章 环境水含量对硅／二氧化硅纳米磨损的影响

4．1 环境水含量对单晶硅表面纳米磨损的影响

4．1．1 不同湿度条件下单晶硅表面的纳米磨损

4．1．2 单晶硅表面的磨损深度及磨损体积随环境湿度的变化规律

4．2 环境水含量对硅／二氧化硅粘着力的影响

4．2．1 硅／二氧化硅的粘着力随环境湿度的变化规律

4．2．2 不同湿度环境下硅／二氧化硅接触压力的估算

4．3 环境水含量对硅／二氧化硅摩擦力的影响

4．3．1 不同湿度环境下摩擦力的演变规律

4．3．2 不同湿度环境下耗散能计算

4．4 本章小结

第5章 水环境下硅／二氧化硅的纳米磨损

5．1 水环境下硅／二氧化硅在不同循环次数下的纳米磨损

5．1．1 大气／水下硅表面纳米磨损随循环次数的变化

5．1．2 大气／水下摩擦力随循环次数的变化

5．2 水环境下载荷对硅／二氧化硅配副纳米磨损的影响

5．2．1 大气／水下硅表面纳米磨损随载荷的变化规律

5．2．2 大气／水下摩擦力随载荷的变化

5．3 水环境下硅／二氧化硅纳米磨损机理探讨

5．3．1 硅／二氧化硅摩擦副中的摩擦化学反应

5．3．2 水下硅表面纳米磨损的影响因素分析

5．4 本章小结

第6章 环境水分对硅表面纳米磨损的影响机理

6．1 硅／二氧化硅配副的摩擦化学磨损机理

6．1．1 摩擦化学磨损机理分析

6．1．2 摩擦化学磨损的TEM验证

6．2 高湿度环境下摩擦化学磨损的抑制机理

6．2．1 高湿度环境下水膜厚度对单晶硅表面磨损的抑制作用

6．2．2 高湿度环境下原始硅表面纳米磨损的进一步表征

6．3 不同湿度环境下原始硅表面纳米磨损机理

6．3．1 不同湿度环境下对磨副表面状态对原始硅表面纳米磨损的影响

6．3．2 原始硅表面在不同湿度和水下的纳米磨损机理

6．4 本章小结

结论与展望

1．本文的主要结论

2．研究展望

3．结束语

致谢

附录

参考文献

攻读博士学位期间的学术成果