纳米硬度计研究多晶硅微悬臂梁的弹性模量

　　1　引　　言

　　随着微小型化的微电子器件进入机械领域,使得微电子与机械进一步集成。采用标准的硅微加工工艺可设计制造集成、复杂的微型机器人系统。在实验室,科学家在芯片上已制造出各种MEMS器件,应用于数据存储、细胞融合、微卫星的推进系统和核武器的微安全开关机构等多种场合,但是对“MEMS装置的失效机理以及如何建立失效模型”这一问题仍未能有效解决[1]。对各种MEMS器件的长期可靠性的研究还需要很多有关微构件的疲劳和断裂的基础数据,这些还都未进行系统研究。微构件的弹性系数还影响甚至决定微型传感器的静态和动态力学特性,这在某种程度上就需要更加精确的测试和评定微构件的力学特性的方法。采用通常的方法很难得到材料力学特性的准确值。Schweitz[2]评述了一些研究材料力学特性的方法,运用这些方法得到的多晶硅薄膜的弹性模量数值在90—190GPa之间,变化范围很大,而且误差大于20%。目前对薄膜力学特性的测试很重视,已发展了一些新的方法,如双轴弯折法[3],硬度试验法[4],单轴拉伸法[5],AFM弯曲法[6],M-Test法[7]和谐振法[8]。利用谐振法测量微悬臂梁的弹性模量,虽然避免了工件的夹持,但测量的弹性范围有限而且实验误差较大,另一方面,能精确测量多晶硅的弹性模量和波松比的纯拉伸法,近年来得到了发展[9~12],但这种方法装置复杂,需要压电拉伸机构和激光检测装置,还需对工件进行特殊的设计和处理,而且如何克服压电驱动中的蠕变、滞后和非线性,仍需进一步研究。

　　为了克服这些困难,一个有效的方法是采用纳米硬度计对微悬臂梁进行弯曲形变研究。纳米硬度计在弯压梁的过程中,可连续记录梁的载荷和挠度。这种方法具有以下明显的优点:1)可排除基体的影响,得到微悬臂梁的纯弯曲形变;2)微悬臂梁不需要直接夹持;3)由于梁的尺寸为微米级,测量范围适宜;4)梁的弹性和塑性变形以及弹性模量和屈服强度都可进行研究;5)实验误差很小;6)可对多种材料进行研究。

　　2　实验方法

　　2·1　实验装置

　　实验装置是采用CSEM仪器公司生产的设备,该系统有两部分组成:纳米硬度计(NHT)和原子力显微镜(AFM),另外还附有光学显微镜。纳米硬度计由一个压头和对样品进行选位以及压后观察压痕的光学显微镜组成。这些元件由机电定位系统控制,垂直两坐标轴的位移分辨率为1μm。纳米硬度计的工作原理类似于早期的超微硬度计,由两导向弹簧支撑的压杆,一头装有电磁线圈,产生电磁力而施加载荷,压杆的另一头装有标准的维氏金刚石压头。压杆的位移用一个电容传感器测量。整个系统的载荷和压深的分辨率分别是10μN和1nm。纳米硬度计在　　加载和卸载过程中,有一个蓝宝石环始终与样品保持接触,从而使得压头与样品表面在垂直方向能精确地定位。压后可通过机电定位系统,将样品移至AFM,观察残留的压痕形貌。