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1、纳米压痕和划痕法测定氧化硅薄膜材料的力学特性122张海霞,张泰华,郇 勇(11北京大学微电子研究院,北京10087121中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室,北京100080)E2mail:zhanghx@ime.pku.edu.cn摘要:为了研究不同制备工艺对材料力学性能的影响,选择了热氧化、LPCVD和PECVD三种典型工艺,在硅片上制备1μm氧化硅薄膜。通过纳米压痕和划痕检测可知,热氧化工艺制备的SiO2薄膜的硬度和模量最大,LPCVD制备的样品界面结合强度高于PECVD。纳米压痕和划痕技术为此提供了丰富的
2、近表面弹塑性变形和断裂等的信息,是评价微米薄膜力学性能的有效手段。关键词:纳米压痕;纳米划痕;力学特性;氧化硅;热氧化;LPCVD;PECVD。中图分类号:O348.3;TB938.2 文献标识码:A 文章编号:167124776(2003)07/0820245204NanoindentationandnanoscratchmeasurementsonthemechanicalpropertiesofSiO2film122ZHANGHai2xia,ZHANGTai2Hua,HUANYong(1.InstituteofMi
3、croelectronics,PekingUniversity,Beijing100871,China;2.StateKeyLabofNonlinearMechanics,InstituteofMechanics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100080,China)Abstract:StudiesofthenanoindentationandnanoscratchwereperformedontheSiO2coatingswiththethicknessof1.0μmonSi(100
4、)fabricatedrespectivelybyLPCVD,PECVDandthermaloxidetoevaluatetheeffectofthefabricationprocessesontheirmechanicalproperties.ThedatashowedthatthehardnessandmodulusoftheSiO2coatingfabricatedbythethermaloxidewerehighest,andthein2terfacialadhesivestrengthbetweenSiO2an
5、dSifabricatedbyLPCVDwashigherthanPECVD.Nanoindentationandnanoscratchtestscanprovidemoreinformationaboutthenear2surfaceelastic2plasticdeformationandfractureproperties.Keywords:nanoindentation;nanoscratch;mechanicalproperties;SiO2;thermaloxide;LPCVD;PECVDMEMS材料的尺寸限
6、制和制备工艺的特殊性,传统1 引 言的力学性能测试技术和设备不能直接应用到随着MEMS研究的发展和深入,认识和挖掘材MEMS材料的测试中。近年来,学者们在这方面开料的力学性能等基本材料特性成为提高MEMS器展了广泛而深入的研究,提出了纳米压痕法、单轴拉件和系统性能、优化设计、扩大选材范围、提高器件伸法、薄膜弯曲法、复合膜测试法、微结构法等多种[1,2]寿命和可靠性的关键因素。所以,研究MEMS材料方法。这些方法千差万别,各有利弊,但其中应力学特性的基础课题也越来越受到重视。由于用最广的是纳米压痕法。纳米硬度计是一种能提供
7、收稿日期:2003205215基金项目:973项目(G1999033109);教育部重点项目(0216);中科院知识创新工程项目(KJCX22SW2L2)MicronanoelectronicFechnology/July～August2003245微纳电子技术 2003年第7/8期高分辨力连续载荷和位移测量的材料表面力学性能R和设备。本文采用MTSNanoIndenterXP系统为测试仪器。它能连续记录加载与卸载期间载荷与位检测手段,研究热氧化、LPCVD和PECVD三种典移的变化,操作简单,可完成多种力学性能的测试,
8、型制备工艺对氧化硅薄膜材料力学特性的影响。如弹性模量、硬度、膜厚、微结构的弯曲变形、粗糙[3]2 试样的制备与测试度、临界附着力和摩擦系数等。在MEMS材料的研究中,简单地说某种材料的2.1 试样制备力学性能是没有意义的。即使是同种材料,由于用试样是由北京大学微电子研究院的超净实验室不同工艺制备其性能差别也很大。在M
