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1、中国科学D辑:地球科学2008年第38卷第1期用于TEM原位拉伸实验的集成单晶硅纳米梁MEMS测试芯片研究（标题）金钦华①②,王跃林①②*,李铁②,李昕欣②,许钫钫③（作者）①上海交通大学微纳科学技术研究院,上海200030②中国科学院微系统与信息技术研究所传感技术国家重点实验室,微系统技术国家实验室,上海200050（作者单位）③中国科学院硅酸盐研究所,上海200050*E-mail:ylwang@mail.sim.ac.cn（联系方式）收稿日期:2007-05-09;接受日期:（空）国家重点基础研究发展计划(“973”计划)(批准号:2006CB3004
2、06)资助摘要透射电镜(TEM)内的原位拉伸测试是研究纳米尺度的单晶硅材料的力学性质的一种很有发展前景的研究方法.开展了集成单晶硅纳米梁的微电子机械系统测试芯片的设计、制作,并完成了原位拉伸的测试实验.集成的微电子机械系统芯片由基于静电梳齿结构的驱动器、测力悬梁、单晶硅纳米梁及电子束透射窗等结构构成.利用SOI硅片和普通硅片采用体硅微加工工艺及硅键合工艺加工完成了芯片制造.通过TEM样品杆上的电极与微电子机械系统芯片导通,实现了对静电梳齿结构的驱动,完成了与其相连的单晶硅纳米梁的拉伸观测.对此微电子机械系统芯片的测试实验结果表明,随着驱动电压的增加,单晶硅纳
3、米梁逐渐被拉动,原位拉伸实验得到了该纳米梁的应力-应变关系,对实验结果拟合后得到杨氏模量值为161GPa,在误差范围内与体硅一致.关键词微电子机械系统透射电镜单晶硅纳米梁原位拉伸实验3中国科学E辑:技术科学2009年第39卷第1期近年来,随着微电子、微电子机械系统研究的深入,器件结构的特征尺寸逐渐进入纳米尺度(1~100nm).在纳米尺度,材料的物理、化学性质由于受到尺度效应、表面效应的影响,开始表现出与宏观及微观情况下不同的性质.作为纳电子、纳电子机械系统的研究重点,单晶硅纳米结构的力学[1~8]、热学[9]、光学[10]性质研究已逐步展开.其中,对单晶硅
4、纳米力学的研究结果表明,随着结构特征尺度的减小(<100nm),硅材料的断裂强度变大,而其杨氏模量值逐渐减小.目前对自上而下方法制备的单晶硅结构在纳米尺度的力学性质的实验研究方法主要有两类:一是利用原子力显微镜(AFM)的针尖对单晶硅纳米线、纳米梁进行的弯曲实验[1~4],另一类是对硅纳米悬臂梁开展的谐振测试[7],这些实验都是对力学特性的间接测量.作为力学测试中最直观、常用的测试方法,拉伸实验可以得到材料的杨氏模量、断裂强度等重要的力学参数.但对自上而下方法制备的单晶硅结构开展拉伸实验非常困难,究其原因,主要体现在如下两个方面.1)纳米尺度的单晶硅样品难于
5、进行操控;2)施加与测量的应力或应变量极其微小,难于精确测量.为了克服纳米实验力学中对样品的操纵与测量的困难,近年来,人们开始尝试采用微电子机械系统(MEMS)技术制作MEMS测试芯片,结合电子显微技术开展对纳米结构的原位拉伸实验研究.从1999年开始,Haque[11,12]发表了一系列利用3中国科学E辑:技术科学2009年第39卷第1期MEMS为工具对纳米厚度Al膜开展的研究工作.他通过一种集成样品、测力悬梁及轴向力准直结构的MEMS器件,在SEM/TEM内实现了对纳米铝膜的高精度原位拉伸测量,测量了多晶铝的杨氏模量并观测其晶粒在被拉伸过程中的变化.20
6、05年,Espinosa研究组用表面硅微加工工艺制作的MEMS拉伸芯片,其上集成了利用电流热效应的驱动结构、电容式力传感器及样品.他们完成了在TEM内对Pd纳米线及多壁碳纳米管的原位拉伸实验[13],测量了杨氏模量.但是Haque的芯片太薄(厚度为100mm),不易进行操作.Espinosa芯片上的热驱动部分在工作时所需的电流会产生磁场,对TEM极靴中的磁场会产生影响,直接影响到实验的测量.在本文中,我们对一体集成的厚度仅为90nm的单晶硅纳米梁的MEMS力学测试芯片进行了设计、制作和测试.其中,MEMS芯片由基于静电梳齿结构的驱动器、测力量悬梁及单晶硅纳米
7、梁等结构集成而成,尺寸为5×9×0.5mm3,由体硅微加工工艺及硅键合工艺加工完成.其上有一0.5×1mm2的电子束透射窗,用于实现透射电镜观测.MEMS芯片通过TEM样品杆上的电极实现对MEMS芯片静电梳齿结构的驱动,从而可以实现对与其相连的单晶硅纳米梁结构的拉伸.结构的运动和硅纳米梁的形变由TEM直接观测,TEM对纳米梁伸长量的测量精度达1nm.测力悬梁测得纳米梁所受拉伸力精度为0.2mN.对<110>晶向厚度为90nm、长度为33mm、宽度为8.2mm的单晶硅纳米梁的TEM原位拉伸的测试实验得到其在拉伸中的应力-应变关系,拟合后得到该纳米悬梁的杨氏模量
8、为161GPa,在实验误差范围内与体硅值一致.1ME
