硅基微机械表面粘附及摩擦性能的AFM试验研究

　　0　引言

　　目前已经揭示出粘附、摩擦磨损对微/纳机电器件(MEMS/NEMS)的性能和可靠性有显著的影响[1,2]。MEMS中微执行器相对运动界面间的粘附、摩擦常常阻碍系统正常工作,对硅静电微马达的研究表明轴承和轴环之间的摩擦消耗大部分扭矩,甚至使马达不能运转[3]。此外,人们已经发现粘附、摩擦降低了基于NEMS技术的高密度探针信息存储器的读写性能[4]。显而易见,如何降低轻载下的表面粘附力、摩擦力已成为MEMS/NEMS发展的关键问题。

　　原子力显微镜(AFM)被广泛认为是一种有效的表征粘附及摩擦力的技术[5,6]。利用AFM针尖对样品表面进行扫描,可以模拟在MEMS/NEMS中大量存在的点面接触的情况。本文在考虑外界湿度、扫描速度等因素的前提下,用AFM对比研究了施加自制的十八烷基三氯硅烷(OTS)分子润滑膜前后的硅表面的粘附、摩擦磨损性能,期望从纳观角度为OTS膜在MEMS/NEMS中的应用提供依据。

　　1　试验方法

　　1·1　试验样品

　　将两片Si (1 0 0)基片用乙醇和丙酮溶液超声波清洗10min后取出,用去离子水反复清洗后吹干,再在90℃Piranha溶液[φ(H2SO4)∶φ(H2O2)=7∶3]中清洗10min,取出后继续用去离子水反复清洗,接着用高纯氮气吹干;将其中一片Si(1 0 0)基片放进浓度为1mmol/L的OTS/十六烷溶液中于室温进行组装15min,然后取出用乙醇冲洗并吹干,放在干燥器里备用。

　　1.2　测试方法

　　粘附和摩擦试验的分析仪器是美国DI公司的扫描探针显微镜(SPM),主要使用其中的力曲线模式来测定粘附力,利用其侧向力模式(LFM)对样品的摩擦和磨损性能进行研究,其工作机理如图1所示,图中激光束的偏移通过四象限二极管确定。如果A、B、C、D正比于入射光的相应象限,强度信号V(A+B)-V(C+D)测定的是弯曲信号,

         犞(A+C)-V(B+D)测定的是悬臂扭转的信号。通过相应的计算公式可以同时将弯曲信号和扭转信号量化,从而得到外加载荷和侧向力(可近似地看作为摩擦力)的数值。使用NP-S型Si3N4探针小端(法向弹性系数为0·57 N/m),由于探针扭转弹性系数标定复杂[7],故试验中采用电压信号代表摩擦力值(不影响定性说明问题)。以蓝宝石为校准样品测得的压电陶瓷的敏感因数为82·91nm/V。制备的样品形貌利用contact模式对5μm×5μm范围扫描获得。试验过程中,将AFM放置于一透明密封的有机玻璃箱体中,并通过调节干燥氮气和潮湿氮气的量来控制湿度。

2　试验结果与讨论

　　图2所示为硅片及制备的OTS膜表面AFM形貌图,图的Z轴尺寸范围为10nm。可以发现,在图2b中OTS膜表面规则地团聚了许多小颗粒。根据AFM分析软件得到的Si(1 0 0)和OTS膜表面粗糙度(RMS)分别为0·2 nm和0·4 nm。