（微电子学与固体电子学专业论文）p型硅纳米梁力电特性研究.pdf

摘要 n e m s ( n a n oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ) 纳机电系统，是基于m e m s 技术而提出的一个新概 念，其特征尺寸在几纳米到几百纳米，以机电结合为主要特征，是基于纳米级结构新效应的器件和 系统。n e m s 系统具有超高的机械谐振频率、高品质因数、超高的质量和力感应灵敏度以及超低的 功耗等优点。纳米梁是n e m s 中十分基础又具有代表性的结构，是构成传感器，混频器的基础，因 此对它的力电特性研究具有重要的现实意义。对于纳米梁的研究，除了在理论上根据分子动力学或 量子力学基本原理进行计算、模拟，实验也是研究的一个重要手段。本论文主要从实验的角度，设 计了各种用于测试纳米梁力电特性的结构，通过实验手段研究了纳米梁的力电特性。 纳米梁的力学参数中，杨氏模量是一个非常重要的参量，梁的形变、振动等都与其有直接关系。 弯曲测试是最常用的一种测试方法，只要实验仪器灵敏度足够高，能够探测出使梁发生弯曲所需要 的载荷及弯曲位移，就可以根据欧拉细长梁理论得到杨氏模量。显然，原子力显微镜高分辨率，高 精度的特点使其成为实验的良好选择。振动频率可以很好的反映梁的动态特性，在有些应用中，需 要器件工作在线性区，而其它应用中，又需要梁工作在非线性区，通过研究纳米梁的频率随驱动电 压的变化关系，就可以得到器件正确的工作状态。压阻效应广泛应用于压阻传感器，它要求压阻变 化具有很高的灵敏度，纳米量级大于体硅的压阻系数为生产超高灵敏度的传感器提供了可能。 在杨氏模量的测试实验中，利用原子力显微镜作为主要测试仪器，对两种晶向的纳米梁进行弯 曲测试，得到了在本次工艺及尺寸条件下的杨氏模量。而在振动频率的测试中，采用静电驱动的纳 米梁测试结构，通过激光多普勒测振仪，得到了纳米梁的谐振频率。通过软件近似仿真发现，只有 考虑纳米梁锚区被掏空后整个衬底的振动，才能得到实验与仿真较为一致的结果；还通过改变驱动 电压的大小，观测到了纳米梁振动的非线性特性。最后测试了在静电力作用下纳米梁的压阻效应。 关键词：n e m s ，原子力显微镜，静电驱动，非线性，压阻效应 a b s t r a c t n a n oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ( n e m s ) i san e wc o n c e p tb a s e do nm i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ( m e m s ) i t sf e a t u r es i z e sa r ef r o maf e wt e n so fn a n o m e t e r st os e v e r a lh u n d r e dn a n o m e t e r s n e m s d e v i c e sh a v em i n o rm a l e s ，u l t r ah i g hf r e q u e n e y u l t r al o wp o w e rc o n s u m p t i o na n do t h e rs i g n i f i c a n t c h a r a c t e r i s t i e s n a n ob e a mi sat y p i c a ls t r u c t u r ec o n s i s t i n go fs e n s o r sa n dm i x e r si n 删s i t i sv e r y i m o o r t a n tt os t u d yi t sm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lp e r f o r m a n c e s b e s i d e s t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n d s i m u l a t i o nw i t hp r i n c i p l e so fm o l e c u l a rd y n a m i c sa n dq u a n t u mm e c h a n i c s ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi s a l l i m p o r t a n tm e a n s i nt h i sp a p e r , av a r i e t yo ft e s t i n gs t r u c t u r e so fn a n ob e a ma r ed e s i g n e da n dm e c h a n i c a l a n de l e c t r i c a lc h a r a e t e r i s t i e s a r em e a s u r e d y o u n g ，sm o d u l u si sav e r yi m p o r t a n tp a r a m e t e ri nm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e s i ti s r e l a t e dw i t ht h e d e f o r m a t i o na n dv i b r a t i o no fn a n ob e a m b e n d i n gt e s ti so n eo ft h em o s tc o m m o n l yu s e dt e s tm e t h o d s a s l o n ga st h es e n s i t i v i t yo fe x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t si sh i g he n o u g h ，i ti sp o s s i b l et od e t e c tr e q u i r e dl o a da n d b e n d i n gd i s p l a c e m e n to ft h en a n ob e a ma n dt oc a l c u l a t ey o u n g sm o d u l u sf r o me u l e rb e a mt h e o r y o b v i o u s l y , a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ( a f m ) b e c o m e sag o o ds e l e c t i o nb e c a u s eo fi t sh i g hr e s o l u t i o n v i b r a t i o nf r e q u e n c yc a l lb eag o o dr e f l e c t i o no ft h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o fb e a m s f o rs o m e a p p l i c a t i o n sd e v i c e sa r er e q u i r e dt ow o r ki nl i n e a rr e g i o n , w h i l ef o ro t h e ra p p l i c a t i o n sd e v i c e sa r er e q u i r e d t ow o r ki nn o n 1 i n e a rr e g i o n b yr e s e a r c h i n gt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nf r e q u e n c ya n dd r i v i n gv o l t a g eo f n a n ob e a m ，w ec a nr e s t r i c t ed e v i c e si nt h er i g h tw o r k i n gs t a t u s p i e z o r e s i s t i v ee f f e c ti sw i d e l yu s e di n p i e z o r e s i s t i v es e n s o r sw h i c hr e q u i r ep i e z o r e s i s t i v ec h a n g e sh a v eah i g hs e n s i t i v i t y t h ep i e z o r e s i s t i v e c o e f f i c i e n to ft h em a t e r i a li nn a n os c a l ei sl a r g e rt h a nt h eb u l ka n di tp r o v i d e sap o s s i b i l i t yf o rt h e p r o d u c t i o no fu l t r ah i g h l ys e n s i t i v es e n s o r s b e n d i n gt e s ti sc a r r i e do u tt oo b t a i ny o u n g sm o d u l u so f t w o d i f f e r e n tc r y s t a lo r i e n t a t i o n i nt h et e s to f f r e q u e n c y , b yu s i n gd o p p l e rl a s e rv i b r o m e t e r , f r e q u e n c i e so fn a n ob e a ma r em e a s u r e d - a p p r o x i m a t e s o f t w a r es i m u l a t i o nf i n d st h a to n l yc o n s i d e r i n gt h ev i b r a t i o no fa n c h o r s ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sc a nb e m o r ec o n s i s t e n tw i t ht h es i m u l a t i o n ；b yc h a n g i n gt h ed r i v i n gv o l t a g e ，t h e n o n l i n e a rv i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fn a n ob e a ma r eo b s e r v e da sw e l l a tl a s t , p i e z o r e s i s t i v ee f f e c to fp - t y p es i l i c o nn a n ob e a m i st e s t e d k e yw o r d s ：n e m s ，a f m ，e l e c t r o s t a t i ca c t u a t e d ，n o n l i n e a r , p i e z o r e s i s t i v ee f f e c t l l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 第一章绪论 第一章绪论 n e m s ( n a n o - e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) 纳机电系统，是基于m e m s 技术而提出的一个新概念。 微机电系统( m e m s ) 和纳机电系统( n e m s ) 是微米纳米技术的重要组成部分，逐渐形成一个新的 技术领域。也可以认为n e m s 是继m e m s 后在系统特征尺寸和效应上具有纳米技术特点的一类超 小型机电一体的系统，一般指特征尺寸在亚纳米到数百纳米，以纳米级结构所产生的新效应( 量子 效应、界面效应和纳米尺度效应) 3 0 工作特征的器件和系统。m e m s 已经在产业化道路上发展，n e m s 还处于基础研究阶段。 本章首先给出纳机电系统的定义及研究和应用领域，继而介绍目前国内外纳米梁，纳米器件的 实验研究背景及最新进展，最后对本论文的主要测试方法进行了阐述。 1 1 纳机电系统( n e m s ) 概述 纳米尺度介于宏观和微观之间，属于介观尺度更接近于微观的部分，迄今为止仍是人类非常陌 生的领域，大量的新现象、新规律有待发现，充满了原始创新的机会，是新技术发展的源头。纳米 科技已不能归附于任何一门传统的学科领域，人们必须重新审视、理解和创立新理论。纳米科技渗 透到多个学科和领域，形成了一系列新兴交叉学科，如纳米材料体系物理学、纳米化学、纳米电子 学、纳米生物学、纳米材料学、纳米机械学、纳米测量学等。如果以研究对象和工作性质来区分， 纳米科技必须包括纳米材料、纳米器件和纳米尺度的检测与表征。材料是基础，器件是应用水平的 标志，检测和表征是纳米技术研究与发展的实验基础和必要条件1 1j 。 1 1 1 纳机电系统( n e m s ) 的概念 n e m s ( n a n o - e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) 纳机电系统，是2 0 世纪9 0 年代末、2 l 世纪初提出的 一个新概念【2 卜【4 l 。可以这样来理解这个概念，即n e m s 是特征尺寸在几纳米到几百纳米、以机电结 合为主要特征，基于纳米级结构新效应的器件和系统。从机电这一特征来讲，可以把n e m s 技术看 成是m e m s 技术的发展。可以这样理解n e m s ：纳米尺度上的机械设备，电子器件，计算机和传感 器。但是，微观世界的一些特性使n e m s 系统和m e m s 系统区别很大。但是，m e m s 的特征尺寸 一般在微米量级，其大多特性实际上还是基于宏观尺度下的物理基础，而n e m s 的特征尺寸达到了 纳米数量级，一些新的效应如尺度效应、表面效应等凸显，解释其机电耦合特性等需要应用和发展 微观、介观物理。我们知道随着器件尺度向微米级和纳米级缩小，物体的有些宏观特性将发生改变， 并会出现一些新的性质。如在m e m s 中，经典物理学定律基本适用比如宏观连续体理论等，进入纳 米尺度，宏观世界中很多理论的假设前提不再成立，某些次要的影响因数可能变得重要。在n e m s 中，纳米级结构产生的新效应，如量子效应、界面效应、纳米尺度效应，在某些情况下，经典理论 和概念仍然可能提供设计和分析的适当基础，但在一般情况下，需要把量子力学和统计理论的概念 引入纳米尺度的分析。也就是说，n e m s 的工作原理及表现效应等与m e m s 有了甚至是根本性的不 同1 5 h 8 1 。因此，从更本质上说，n e m s 技术已经是纳米科技的一个重要组成部分和方向。首先，n e m s 器件可以提供很多m e m s 器件不能提供的特性和功能，比如超高频率、低能耗、高灵敏度、对表面 质景和吸附性的前所未有的控制能力，以及在纳米尺度上的有效的驱动方式。但是同时，在小尺度 下产生的一些新的物理特性将影响器件的操作方式和制造手段。与m e m s 系统相比，n e m s 对微加 工技术提出了更高的要求。具体说就是研究的材料范围更宽，加工过程的空间分辨率更高【9 , 1 0 】。n e m s 在制作上主要有两种途径。一是继续发展t o p d o w n 的途径，如采用电子束光刻已可达到2 0 r i m 线宽。 但该方法的限制是，尺寸愈小，成本愈高。另一种为b o t t o m u p 的途径，是分子、原子组装技术的 办法，即把具有特定理化性质的功能分子、原子，借助分子、原子内的作用力，精细地组成纳米尺 东南大学硕士学位论文 度的分子线、膜和其他结构，再由纳米结构与功能单元集成为微系统。这种制造技术反映了纳米技 术的一种理念，即从原子和分子的层次上设计、组装材料、器件和系统，是一种很有前途的制造技 术，但目前还只是处于实验室研究阶段，因此，纳米制造技术还处于发展阶段1 1 卜【1 4 】。 1 1 2n e m s 研究领域 纳机电系统随着纳米材料和新纳米结构研究的进展，利用纳米结构表现出的独特的力、电、热、 光、磁等性能，进行新型纳传感器件的研究也逐渐成为n e m s 研究的一个热点。目前，世界各地在 n e m s 及其相关方面开展的研究工作主要有以下几个方面【1 5 l1 1 7 l ： ( 1 ) 谐振式传感器，包括质量传感、磁传感、惯性传感等； ( 2 ) r f 谐振器、滤波器； ( 3 ) 微探针热读写高密度存储、纳米磁柱高密度存储技术； ( 4 ) 单分子、单d n a 检测传感器以及n e m s 生化分析系统； ( 5 ) 生物电机： ( 6 ) 利用微探针的生化检测、热探测技术； ( 7 ) 热式红外线传感器： ( 8 ) 机械单电子器件； ( 9 ) 硅基纳米制作、聚合物纳米制作、自组装：等等。 1 1 3n e m s 应用领域 纳生物器件在智能检测、医疗等领域有着广阔的应用前景。n e m s 技术与生物领域的结合是伴 随着一个被称为b i o n e m s 的新概念的出现而产生的。基于b i o n e m s 的生物芯片技术可以用来检测 生物领域微小力，具体的方法是用一个纳米尺度的悬臂梁感受配合基和感受器之间的作用力检测生 物分子之间的作用力【1 8 1 。n e m s 的研究者们正在这个领域探索物理系统中与生物系统同尺度的问题， 其成果对生物系统的研究有十分关键的作用。美国康乃尔大学的m o n t e m a g n o 博士领导的一个研究 小组研制出一种生物分子电机。该电机由一个三磷酸腺苷酶分子( a r p ) 、一个金属镍制成的桨片( 直 径1 5 0 n m ，长7 5 0 n m ) 和一个金属镍柱体( 直径8 0 n m ，高2 0 0 n m ) 组成，平均速度可达每秒钟4 8 转，运行时间长达4 0 分钟至2 5 小时【心j 。生物分子电机为进一步研制有机或无机的智能纳系统创造 了条件。 n e m s 在传感领域同样有着广泛的应用。美国的s v a t a n n i a 等人对共振隧穿效应进行了研究， 在普通的隧道间隙间加入一个共振隧穿位移转换器，在不减小灵敏度和隧道电流的情况下，可提高 隧道间隙大约1 0 0 埃，这不仅大大减小了n e m s 系统制造和安装的难度，也给大幅度提高隧道效应 传感器的灵敏度提供了可能 2 0 l 。 n e m s 在信息领域表现出很大的潜力。当前的信息技术是基于半导体器件和磁盘的，在未来十 年中，这些技术的发展会达到其物理极限。而n e m s 或者m e m s 会成为下一代信息技术的主要载 体。例如，在可预期的未来，会产生分子超级计算机和在微波功率下工作的超低能耗的信号处理器。 i b m 苏黎世研究中心的p av e t t i g e r 等人提出了a f m 阵列器件的概念，这种器件可以提供超高的存 储密度，太字节的容量，每秒几百兆字节的数据传输率。n e m s 技术也会对射频( r f ) 电路的设计 带来深远影响【2 1 | ，其主要的推动力来自n e m s 提供的一个高质量的谐振器，它可以以很高的频率( 约 1 0 m h z ) 振动，这是传统的集成电路无法做到的；同时，n e m s 器件在很小的振幅下就可以显现出 一些非线性机械特性。这有助于高灵敏度的谐振器或力传感器的开发。n e m s 技术也在影响着无线 通讯领域1 2 引，比如美国c a l t e c h 的y a n g 、e k i n c i 等人首次研制了尺度为1 0 0 n m 的s i c - n e m s 谐振器 件，具有高频、超高的品质因数( 数万到十几万) 、低驱动功率( 1 0 1 2 w ) 、低热噪声和高性噪比等 优点，可满足射频通信系统的要求【2 3 】。混频在信号处理芯片中是一很重要的模块，n e m s 谐振器以 及混频器是一典型的n e m s 器件，过去机械混频或者谐振器就是工作频率比较低，而n e m s 混频器 其工作特点是具有很高的机械谐振频率、超高灵敏度、超低功耗等优点【2 4 卜【2 引。 目前，n e m s 的研究领域不断扩展，逐渐形成信息( i t ) 、生物( b i o ) 、能源等新方向。并且从 2 第一章绪论 单一的m e m s 和n e m s 器件的研究，发展为将m e m s 和n e m s 器件作为嵌入式系统的组件，以提 高系统的整体性能和附加值，这方面已有很多成功的例子。 1 2 课题研究背景 硅是集成电路的主要材料，硅材料具有较好弹性、抗疲劳等特点，因此成为制造m e m s 和n e m s 的主要材料之一。众所周知，m e m s 已有批量化产品，而n e m s 尺寸缩小后，有很多优异的性能， 因而成为近年研究的热点领域。研究内容主要包括三个方面：( 1 ) 制造工艺研究，如自上而下的硅微 纳加工的纳机电系统，自下而上的纳米生长工艺的硅纳米器件( 纳米线、纳米带及纳米点) ；( 2 ) n e m s 性能的理论研究；( 3 ) n e m s 力学性能、电学性能、光学性能、热学性能实验研究。本课题主要研究 n e m s 中纳米梁的力学，电学性能的测试。 1 2 1 国内外研究概况 目前对纳米梁的力电特性研究主要集中在三个方面( 1 ) 单纯研究器件的力学特性，( 2 ) 单纯研究器 件的电学特性，( 3 ) 研究硅器件的力电耦合特性。国内外研究状况分别如下： ( 1 ) 单纯研究器件的力学特性 在单纯研究力学性能的工作中，多数集中在纳米器件或n e m s 的弹性模量、弯曲形变以及振动 特性上。由于此时器件的结构尺度进入纳米量级，表面效应对力学性能的影响成为主要的因素。 s u n d 蝴等人较早从实验上研究了硅纳米梁的力学特性【2 9 j 。 (a)(b) 图1 1 ( a ) 弯曲测试实验原理图( b ) 梁缺陷生成原理图 atume 1 2 5 拿1 鼍 7 5 薯5 0 五 z 2 5 o o2 400卸o 啷l s ( a )( b ) 图1 2 ( a ) 纳米梁疲劳测试原理图( b ) 纳米梁所受荷载随时间变化图 3 uoisu守lx零oh尘l 东南大学硕士学位论文 他们采用原子力显微镜的方法对纳米量级双端固支梁进行了测试，首先得到了硅纳米梁的杨氏 模量并用有限元分析软件模拟分析，分析表明对纳米梁杨氏模量的计算模型是适用的；然后通过原 子力针尖在梁上形成缺陷，最终得到了梁的断裂韧度，发现其弹性模量和断裂韧度和体材料的差不 多：如图1 1 所示。作者还测试了梁的疲劳特性，如图1 2 所示。 俄亥俄州立大学的x i a o d o n gl i a , b h a r a tb h u s h a n 等人【3 0 】通过纳米压痕技术测量了不掺杂单晶硅、 不掺杂多晶硅、s i 0 2 、s i c 、n ip 和a u 等薄膜的微纳机械特性，发现s i c 相比其它材料具有更高的硬 度和弹性模量。图1 3 是作者根据纳米压痕仪得到的不掺杂单晶硅的力一位移曲线和硬度、弹性模量。 畲 山 0 = 兰 暑 驾 曩 2 甾 皇 d i s p l a c e m e n t ( r i m ) p e a k i n d e n t a t i o nd e p t h ( n m ) ( a )( b ) 图1 3 ( a ) 纳米压痕仪典型力一位移曲线( b ) 硬度、弹性模量与压痕深度的关系曲线 ( 2 ) 单纯研究器件的电学特性 单纯研究纳米器件与系统的电学性能的工作，以研究纳米器件的i v 关系为主。国内中科院微 系统所的w e n p i n gl i u 等人对厚度和宽度均为l o n m 左右的悬臂梁的i - v 关系进行了测试【3 1 1 ，如图 1 4 ，发现随着纳米梁暴露在空气中的时间增加，i v 曲线斜率发生了较大变化，亦即悬臂梁电阻发 生了变化，这是由于梁表面态对纳米梁电阻的影响很大，梁表面水分子吸附和氧化都会导致这种现 象。 ( a ) 图1 4 ( a ) 随时间变化的i v 曲线 言 萎 萎 堇 葛 窑 詈 嘲m ( h ( b ) ( b ) 2 5 v 下电阻随时间的变化关系 ( 3 ) 研究硅器件的力电耦合 对于力电耦合的研究，一类工作研究静电或电磁驱动的n e m s 典型器件如悬臂梁和双端固支梁的 振动特性与驱动信号电压或电流的关系。j h z h a o ，ge b r i d g e s 等人分别利用了电容耦合和光学偏 转的方法测量了静电驱动的n e m s 双端固支梁的谐振频率【3 2 1 ，在高阶频率上观察到了明显的非线性 振动行为，非线性发生在直流偏置电压与交流驱动电压乘积超过0 0 4 v 2 且直流电压超过2 v 时，此 时产生了较大的静电力。作者还研究了响应频率与直流电压间的关系，实验值与理论值符合很好， 如图1 5 所示。 4 口厶vv碡碡o叠墨鬈 nl)勺一oj 第一章绪论 2 5 一口t 2 0 黼。，r l m l & l a r 。 ： i1 5 敝一三 t 量1 0 5 f r e q u e n e vc k h 日“i ( a 1彻 国1 5 ( a ) 直流电压太于2 v 时才有明显非线性 ( b ) 响应频率随直流电压变化曲线 另一类的力电耦合工作集中在研究硅材料压阻特性方面。图1 6 中，t o s h 咖k i t o r i y a m a 等人研 究了纳米线的纵向和横向的压阻系数f i 。实验所得纳米线纵向压阻系数随着梁横截面积的减小而增 大而横向压阻系数随横截面积减小而减小。纳米线瓤向压阻系数达到了4 8 1 0 4 ( i m p a ) ，达到了商 用灵敏度标准。 l ； e ； ： i 瞒 ；e 删删一u 一 j 涨：剿 ( 砷嘞 图1 6 ( a ) 纳米线s f m 照片( b ) 压阻系数随截面积的变化 翻17 为37 “a y m “b 0 1 5 芝，人通过惠斯通电桥提高测试灵敏度的方法得到了压阻探针的偏 转灵敏度为( k r 册：一= 2 4 x lo - ，a ，而力灵敏度为( a r ，r ) f 一= 27 x 1 0 n n 。他们对比了对称惠 斯通结构与非对称惠斯通结构对输出响应的影响发现对称结构明显降低了响应的非线性阻l 。 1 5u m 2 1 m k3 “d 。1 y 5 u l “5 1 1 1 “ _ _ r 一u i ，l32 、p a ， i 一2 0 ( i t i m l i e l ”i cn l m h n c d j i 】c 1 p 训c 。n f 卵u o m d 图等( 对悬臂梁截面圈。)对称结构惠斯通电桥电磐 美国的h a r l e y 和k c n n y 等通过研究微米粱表明，压阻梨的灵敏度与粱厚和梁的质量成反比1 3 5 1 o 因此，要提高压阻梁的灵敏度，可行的办法就是减小粱的厚度和质量。因此，无论是理论预测还是 mo 东南大学硕士学位论文 根据实验结果推测，n e m s 压阻梁应该有比m e m s 压阻梁高得多的压阻系数，当压阻纳米梁用作传 感器时，将有比微米梁更高的灵敏度。 1 2 2 实验研究纳米梁力电特性的主要测试方法 要对n e m s 器件的力电特性进行研究，首先要得到实验所需的n e m s 梁结构，通过前期对各种 工艺的综合考察，最终选定了中芯国际0 1 8 1 1 i ! c m o s 兼容工艺制作了最小尺寸为1 8 0 n m 的各种测 试结构。本论文主要针对杨氏模量、频率、压阻效应等参数对纳米梁进行测试。 首先是杨氏模量的测量。杨氏模量的测量一般分为静态和动态两种测试方法m j 。1 9 6 5 年， j a c c o d i n e 和s c h l e g e l 提出两种用于测试蚀刻硅构件中s i s i 0 2 界面层应力的方法，称为“b f l l o o n ”技 术和“b e a m ”技术【3 。它们都属于静态应变测量法。“b a l l o o n ”技术如图1 8 ( a ) 。在一块抛光的硅材 料一侧表面按规定的温度和时间生成一层二氧化硅膜，然后取一个窗口。把其中的硅蚀刻掉，只留 下二氧化硅膜。将窗口置于一个空腔管道的端部。把一定压力的空气通入空腔管道中，使二氧化硅 膜产生“b a l l o o n ”状鼓起。通过精确测量在不同空气压力下二氧化硅膜鼓起的曲率半径，便可计算 出二氧化硅膜的杨氏模量。“b e a m ”技术如图1 8 ( b ) 。在一根硅梁( 长、宽尺寸为，厚度小于的一侧表 面生成一层二氧化硅膜。由于二氧化硅膜界面层的应力使硅梁产生弯曲。将梁的一端固定在基准平 面上，另一端则向上弯曲。通过测量硅梁弯曲的曲率半径来计算硅梁材料的杨氏模量。此时的硅梁 为复合材料梁( s i s i 0 2 ) ，在硅的杨氏模量已知的条件下，就可求出二氧化硅层材料的杨氏模量。上 述两种技术虽然都能测量微机械材料的杨氏模量，但均有不足之处。首先，样品的制作及实验装置 的建立都十分困难；其次，样品易脆裂和变形过程中易出现褶皱等给测量带来了极大误差。 兑娑蓦 i 口 图1 9 杨氏模量动态测试方法 在动态测试方法中，1 9 7 9 年，p e t e r s e n 提出利用静电激励谐振法来测量微机械材料的杨氏模量【3 3 1 ， 如图1 9 。他们把各种被测微机械材料分别做成悬臂梁，在静电激励下使悬臂梁产生振荡。振荡的检 测是通过测量一束聚集的激光在悬臂梁端部的反射来实现的。振幅最大时的频率就是悬臂梁的自然 谐振频率。通过它并利用公式来推算出悬臂梁材料的杨氏模量。动态谐振法和静态应变法相比较， 最大的优点是避免了对被测样品的徽小变形直接进行测量。但必须增加金属电极，以接入激励电源。 6 而金属镀层使悬臂梁成了一个复合材料梁。实际金属镀层的厚度非常小，以便尽可能地减小、直至 可以忽略对悬臂梁材料杨氏模量测量的影响。 随着科技的发展，现代的杨氏模量测试手段已经有了很大改进，不仅拥有更高的灵敏度，所能 测量的尺寸也越来越小，这对于研究纳米量级的材料非常重要。静态测试方法主要有纳米压痕仪 3 9 - 4 1 j 和原子力显微镜两种。纳米压痕仪由纳米硬度计及光学显微镜构成，纳米硬度计由一个压头和对样 品进行选位以及压后观察压痕的光学显微镜组成。整个系统的载荷和压深的分辨率分别在un 和 n m 量级。其工作原理如图1 1 0 所示，采用的是深度敏感压痕法。这种压痕法假设试样为各向同性 材料，几何尺寸远大于压痕深度，表面为无摩擦的平面，不存在与时间相关的变形，即无蠕变和粘 弹性，接触深度总是小于压入深度，并定义接触刚度为 s = 胤钆 m ， 其中， 尸= a h ”，吃= h - 6 土芋，这里q 、m 与e 均为常数，其大小与压头形状有关；h 与吃 分别为压头压入薄膜的整体高度与压头和薄膜的有效接触高度。接触面积为 a = 2 4 5 6 劈+ e 绣 ( 1 2 ) 折合模量为 吉= 旦e + 警 ( 1 3 ) 一= 一十一 1 j - e re t 、 其中，模量e = 等击，易为压头的模量。 图1 1 0 纳米硬度计工作原理示意图 本论文采用另一种杨氏模量静态测试仪器原子力显微镜，具体测试原理在第二章详细介绍。 现代的动态测试方法原理并没有发生改变，但采用了更高精度的测试仪器，现在已经有专门的 测试设备出现，如本论文所使用的p o l y t e c 激光多普勒测振仪系统，该系统只需将驱动电压信号加载 在样品压焊块上就可以测出纳米梁的振动频率曲线。 对振动频率的测试主要涉及到频率的检测问题。在纳米梁振动往更高的频率发展的过程中，成 功检测出其谐振频率已成为一个重要的技术挑战。在微米尺度下( m e m s ) ，主要的检测手段是通过电 学和光学耦合检测。电学耦合包括电磁、电容、压阻拾振。在光学检测方面有光干涉技术和光束偏 转技术。但是，当到了n e m s 的尺寸范围下，因为器件尺寸太小，频率变高，导致检测信号变弱。 人们开始着力于通过改善技术将这些方法应用于n e m s 器件的振动检测，这是非常富有挑战性的。 作为非接触式检测方法光学检测方法有着各种优点：它能在常温下工作、精确度高、非接触式、通 7 东南大学硕士学位论文 过c c d 摄像还能获得器件实时的振动模态图像，有助于人们研究n e m s 谐振器的谐振特性。激光 多普勒测量技术以其精度高、线性度好、动态响应快、测量范围大及非接触测量等特点在各种运动 测量中得到了很大的发展。 1 3 论文的主要工作和章节 本论文以p 型硅纳米梁为研究对象，主要工作包括： ( 1 ) 设计了各种用于力电特性测试的版图结构，包括需电驱动和不需电驱动的纳米梁以及压阻结 构。 ( 2 ) 测试了厚度在2 0 0 n m 的单晶硅梁的杨氏模量。杨氏模量是表征材料力学特性的重要参数。 对杨氏模量的测量，主要利用原子力显微镜悬臂针尖对纳米梁施加压力，使梁发生弯曲变化，这可 以得到施加载荷与纳米梁弯曲位移之间的关系，即力曲线，通过纳米梁的理论模型就可以得到杨氏 模量。 ( 3 ) 测试了静电驱动硅纳米梁的频率以及非线性效应。在n e m s 典型尺寸下，由于纳米梁长度 可以与锚区边缘在释放时被腐蚀的深度相比拟，此时实验测得的一阶频率与梁的实际一阶频率存在 很大误差，本论文修正了仿真模型，对该现象进行了合理解释。对梁施加不同的直流、交流驱动电 压，可以得到频率关于驱动电压的关系，并观测到了纳米梁振动的非线性效应。 ( 4 ) 测试了p 型硅纳米梁的压阻效应。采用静电驱动改变了压阻的应力分布，通过改变偏置电 压得到了压阻变化随偏置电压的关系。 第一章介绍了纳机电系统( n e m s ) 的基本概念，研究领域及应用领域；综合调研了本课题国内外 研究背景；提出了本论文的主要测试方法及主要工作。 第二章介绍了p 型硅纳米梁力电性能的表征及测试原理。 第三章给出了实验方案，试验样品设计及工艺流程，并简单介绍了所需实验仪器。 第四章对p 型硅纳米梁的杨氏模量、频率及非线性、压阻效应进行测试，给出了相关结果和讨 论。 第五章给出了工作总结以及后续工作的一些展望。 8 第二章p 型硅纳米粱力也性能表试原4 第二章p 型硅纳米梁力电性能表征及测试原理 2 1p 型硅纳米梁杨氏模量的弯曲测试 目前n e m s 机械力学特性测试方法主要有压痕，划痕、弯曲、拉伸和扭转四大娄。针对n e m s 的纳米量级尺寸的限制，装夹工具与装夹方法的不易实现性，其机械力学特性的测试方法目前主要 采用上述方法中的压痕例痕测试、弯曲测试两大类。n e m s 机械力学特性的基本的力学性能参数包 括弹性棋量、残余应力、断裂韧性、划痕临界载荷、蠕变应力指数、屈服强度、抗弯强度、疲劳强度、 表面粗糙度等。测试仪器主要有纳米压痕仪( n r n oi n d e n t e r ) ，以及原子力显微镜( a t o m i cf o r m i c r o s p p _ a f m ) ，利用这两类精密仪器可对上述机械力学参数及几何参数进行测试，指导设计 和加工。纳米压痕仪又可称为纳米硬度仅”j ，如图2 i 所示。它通过电磁力驱动压头在j y ：3 个 方向上运动，并探测作用力大小，3 个方向上的位移信号由3 组相互独立的平行板电容器结构通过 电容量的变化来获得，：方向上的作用力和位移即为压力和压入深度。通过负载- 位移曲线测试样品 的硬度与弹性模量的方法可由o l i v e r l 4 和s n e d d o 一韫出的理论计算。 ( 的( b ) 图21 ( a ) 纳米压痕仪彻纳米压痕试验中负载_ 位移曲线 图2 2a f m 羽i 试图 纳米压痕仪在静电驱动模式下，能够精确地给出力和位移，有较大的载荷范围( 州m n ) ，但 在低载荷下精度较差，加上由于实验条件限制，本论文利用a f m 原子力显微镜对纳米桨的杨氏模量 进行弯曲测试。如图22 1 4 1 ，原子力显微镜是日前使用较为广泛的一种表面性能检测设备，具有很高 的横向和纵向分辨率，纵向分辨率可以达n 0 0 1 r i m ； 当探针弹性形变时，所加载荷可以变化。普通 的原子力显微镜扫描面积通常在几个平方微米，所观察的表面通常是平面二维的，要求表面粗糙度 低，因此需要相应扩展其功能才能将其有效地应用在微结构器件的羽i 试分析上。利用原子力显微镜 东南大学硕士学位论文 进行力学性能测试，主要依据其能够精确给出的位移，通过适当方式得到精确的力，因此原子力显 微镜是微纳米尺度科学研究中的一个较好仪器。 纳米梁是n e m s 器件中十分基础却又非常具有代表性的结构，是构成许多n e m s 器件的基础， 如n e m s 谐振传感器和n e m s 射频器件等，对其机械力学特性的深入研究对n e m s 加工工艺的评 价和n e m s 器件性能的表征都具有十分重要的现实意义。纳米梁结构纳米级的微小尺寸给夹持带来 了很大困难，很难对其进行传统的拉伸或扭转试验以获得力学特性参数。但随着对载荷力和载荷位 移均具有很高分辨率的原子力显微镜的出现，可以利用原子力显微镜对纳米梁结构进行弯曲测试， 以获得纳米梁的杨氏模量、断裂应力、断裂韧度等机械力学特性参数。本论文主要对纳米梁的杨氏 模量进行了测定。 2 1 1 杨氏模量弯曲测试理论 常见的纳米梁可分为悬臂梁和双端固支梁，对于图2 3 中的双端固支梁，测试时在梁的中点处 施加载荷，连续记录加载过程中载荷大小与载荷点下梁的挠度，从而得到梁的受力位移曲线 ( f o r c e d i s p l a c e m e n tc u r v e ，简称为f 司曲线) 。利用f d 曲线的挠度，便可以得到纳米梁的杨氏模量 等机械力学特性参数1 5 j 。 图2 3 双端固支梁杨氏模量测试 杨氏模量( 弹性模量) 是用来衡量材料抵抗弹性变形能力的重要指标，所以要求弯曲测试中最 大载荷处梁仅发生弹性变形，这时梁力位移曲线始终是线性的。此时梁的杨氏模量可以由遵循各向 同性材料的线性弹性理论得到，当梁具有较高的长宽比和长度厚度比时该理论十分适用，这种梁又 称为欧拉细长梁。 对于在梁中点位置施加应力的双端固支梁，其材料杨氏模量可由下式表达 1 3 肚南s ( 2 - ) 1 9 2 ， 、 l 为梁的长度，i 为梁横截面的转动惯量，s 是荷载力位移曲线的斜率。梁截面的转动惯量由下式表 达 ，= w 1 2 + 4 w 1 w z + w 2 2f 3 3 6 ( w 1 + w 2 ) ( 2 2 ) 嵋和m 分别为梁上端和下端的宽度，t 为梁的厚度。对于矩形截面双端固支梁，横截面转动惯量为 w 为梁的宽度。 一 w t 1 = 1 2 1 0 ( 2 3 ) 第二章p 型硅纳米梁力电性能表征及测试原理 由此可见，a f m 弯曲测试的关键在于得到梁弯曲的力位移曲线的斜率，知道了斜率就可以得到 杨氏模量。 对于悬臂梁的弯曲测试，与双端固支梁的类似【6 1 ，如图2 4 所示。 f f mp r o b e 图2 4 悬臂梁a f m 测试 对于在梁自由端附近位置施加应力的悬臂梁，其材料杨氏模量可由下式表达 e ：竺s ( 2 4 ) 3 1 、 l 为梁的长度，i 为梁横截面的转动惯量，s 是力位移曲线的斜率。梁截面的转动惯量由下式表达 ，：当：兰当丝丝：f ， 3 6 ( w l + w 2 ) 和心分别为梁上端和下端的宽度，t 为梁的厚度。对于矩形截面悬臂梁，横截面转动惯量为 ( 2 5 ) ，：罢 ( 2 6 ) 1 2 、 w 为梁的宽度。 2 1 2 a f m 弯曲测试原理 图2 5 解释了a f m 弯曲测试原理【7 1 0 该测试方法主要利用了a f m 悬臂探针在垂直样品方向上 的可移动性以及a f m 对探针位移较高的探测灵敏度。当a f m 悬臂探针向下移动时，产生垂直方向 的荷载，在该荷载作用下，纳米梁必定发生弯曲，这就得到了测试杨氏模量所需要的弯曲效果，并 且纳米梁弯曲的程度和其所承受的压力都可以较为精确的得到。 图2 5 a f m 弯曲测试示意图 更为详细具体的测试原理如图2 6 所示【5 1 。在a f m 系统中，悬臂探针是安装在压电陶瓷管扫描 l l 东南大学硕士学位论文 器的下端的，这样探针就可随压电陶瓷管的上下移动而移动，同时激光发生器发出一束打在悬臂探 针上的激光，经反射后被光探测器捕获，光探测器将捕获的光转换为偏转电压输出至系统。 具体的测试过程主要分为两个步骤【5 , 6 1 ： ( 1 ) 首先要得到光探测器的灵敏度，可以表达为： m = 亭) ( 2 7 ) 、7 、。 其中，i t i 为灵敏度，为探针针尖位移，a 圪脚为光探测器上的偏转电压。 如图2 6 ( a ) 所示，测量时在样品台上放置一块表面平坦的蓝宝石( 本论文采用直接在硅衬底上测 试，由于均为坚硬物质，故在微小作用力下硅材料硬度可与蓝宝石可以相当) ，移动压电