论文摘要
单晶硅材料一直是微电子、微电子机械系统产业中主要的结构、功能材料,随着科技的发展,结构的特征尺寸逐渐减小进入纳米量级（1nm-100nm）,了解硅材料结构在纳米尺度下的力学特性,对于纳电子、纳电子机械系统的研究是必要的。但实验上开展对纳米结构进行力学测试很困难,主要面临着三大难点:1.制造合适的工具对纳米尺度的样品进行操纵定位;2.纳牛顿（nano Newton）量级的精确的力的施加与测量;3.对局域力学应变量的精确测量。本研究工作结合应用MEMS与TEM（透射电镜）技术,首次成功地设计、制备了集成硅纳米结构与驱动及测力结构于一体的MEMS力学测试芯片,以及与其配套使用的TEM带电极样品杆,对单晶硅纳米结构的TEM内原位拉伸实验开展了研究。在TEM实时观测下,在MEMS芯片上完成对单晶硅纳米结构的拉伸实验,研究其的力学性质。TEM直接观测结构在被拉伸的情况下的纳米尺度的形貌与结构信息。MEMS力学测试芯片上包含单晶硅纳米悬梁（样品）、测力悬梁、静电梳齿驱动器、支撑梁以及电子束透射窗等结构。芯片大小为5mm×9mm×0.5mm,由一片SOI硅片和一片普通硅片键合后形成。普通硅片一侧,厚度为0.4mm,其上形成电子束透射窗;SOI硅片一侧,厚度为0.1mm,其上形成纳米悬梁、测力悬梁、梳齿驱动器、支撑梁等结构。芯片的制备工艺是体硅微加工工艺。自制的TEM样品杆上提供6个电连接头,可以分别与电源、电子测量仪器连接。装载样品时,采用类似于微电子器件的封装工艺,将芯片固定在陶瓷电路板（厚度为0.5mm）上的槽（深度为0.3mm）中,芯片上的电极与陶瓷电路上的电极以金丝球焊接。陶瓷电路板固定在TEM样品杆头部的金属架上,外界导线通过feedthrough接进样品杆头部,与陶瓷电路板上的电极焊接。这样实现在TEM外部对内部的芯片供电。实验时,外接电源后,静电梳齿驱动器开始工作,拉伸与其相连的硅纳米悬梁,悬梁的移动及形变可以在TEM内透过电子束穿透窗直接观测到,硅纳米悬梁受到的拉伸力则由与其相连的测力悬梁的弯曲量经计算后得出,从而完成TEM内对厚度为90nm、宽度为9.3μm、长度为33μm、<110>晶向的单晶硅纳米悬梁的原位拉伸实验。实验结果处理后得到该单晶硅纳米悬梁的杨氏模量为180GPa,在误差范围内与体硅值一致。实验误差约为9.3%,其中主要来源是制备工艺造成的测力悬梁、纳米梁结构尺度上的不均匀性。本文最后以一个基于表面层作用的简单模型说明表面效应在拉伸测试与谐振/弯曲测试中的作用的不同。模型表明,当悬梁厚度远大于表面层厚度时,两类方法测得的杨氏模量值相同,都等于体材料的杨氏模量值。随着悬梁厚度的减小,用谐振/弯曲法测得的杨氏模量将更快表现出尺度效应。这样可以解释,TEM内对于90nm厚度的单晶硅纳米梁开展的拉伸测试表明杨氏模量在该尺度尚未表现出尺度效应。