关键词：半导体晶体材料;;机械刻划加工;;表面创成机理;;AFM加工系统
摘 要：纳米加工技术是纳米技术的重要组成部分,发展纳米加工技术的一个重要途径就是采用非传统的超精密加工技术将加工尺寸和精度向极限逼近,达到纳米加工的水平。为此,在纳观尺度上研究纳米刻划加工的材料去除和表面创成机理,将为纳米刻划加工技术的工艺优化和加工预测模型的建立提供理论基础。本文对两种半导体晶体材料(单晶硅、单晶锗)的纳米机械刻划加工表面创成机理进行了研究。通过实验研究了压痕/刻划中两种半导体晶体材料的力学响应行为。从原子重排、重构的角度,以晶体结构、位错理论作为基础,研究半导体晶体材料的黏着、形变等力学行为。通过分子动力学仿真计算,对纳米刻划加工中,刻划区域的晶格变形、位错等进行定量分析,研究纳米刻划加工表面创成的动态过程与规律。基于上述机械刻划机理研究,利用原子力显微镜纳米刻划加工系统,研究纳米结构阵列的刻划工艺策略及方法。通过纳米压痕/刻划仪研究半导体晶体材料在压痕/刻划中的力学响应,发现在压痕阶段,半导体晶体材料塑性压深与最大压深的比值基本是保持不变的。在刻划阶段,为了能够获得相对较好的加工表面质量,应控制刻划载荷在40mN以下,刻划速度为4μm/s左右。通过Zhang的“pop-out”现象分析发现半导体晶体材料在刻划过程中有相变产生,以及对Zhang的单晶硅位错理论模型的建立及推广,得到了半导体晶体材料的临界载荷值,即单晶硅Pc=2.24mN,单晶锗Pc=2.26mN。通过分子动力学仿真研究发现,在探针压痕过程中,探针开始接触和卸载脱离材料表面时会出现黏着现象;探针压入过程引起材料原子晶格畸变和晶格转变或非晶化;最大压深10A时材料开始出现少量的六边形金刚石晶格结构转变和位错现象,内部原子结构之中会形成残余应力。在探针刻划过程中,探针前端的部分材料原子向探针的前上方剪切滑移,产生剪切流动,最终形成探针前端的材料堆积或刻划切屑。同时部分亚表层的材料原子向探针下方剪切滑移,这部分材料原子将形成材料的已刻划表面(刻划沟槽表面)。刻划表面产生永久变形,形成刻划沟槽,亚表层原子中出现残余弹性形变和残余应力。通过AFM加工系统研究发现:单晶硅材料水平平行直槽阵列和竖直平行直槽阵列沟槽的实际深度分别是理论深度的40%左右和20%左右,单晶锗材料水平平行直槽阵列和竖直平行直槽阵列沟槽的实际深度分别是理论深度的50%左右和30%左右。单晶硅材料上和单晶锗材料上刻划形成的正交直槽方形阵列,其宽度分别在30nm-250nm范围内,波动值约为5%-20%和50nm-300nm范围内,波动值约为5%-15%。在相同的理论刻划深度条件下,单晶锗的刻划结构表面质量比单晶硅的刻划表面质量要好。
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