文章來源：晶格半導體

原文作者：晶格半導體

本文介紹了單晶硅納米力學性能是如何測試的。

在材料納米力學性能測試的眾多方法中，納米壓痕技術憑借其獨特的優勢脫穎而出，成為當前的主流測試手段。納米壓痕，又稱深度傳感納米壓痕測試，它通過在試樣表面施加逐漸增大的載荷，使試樣經歷彈性變形、延性變形直至脆性斷裂的過程。在這個過程中，記錄加載 - 卸載曲線，通過對曲線的分析，就能夠獲取材料的硬度、彈性模量等關鍵力學參數。不僅如此，結合掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)等設備，還可以對測試后的試樣進行微觀觀測，深入了解材料的損傷機制和內部缺陷。

在進行納米壓痕試驗時，壓頭的選擇至關重要。自然界中純凈的單晶金剛石，因其具有高硬度、良好的熱傳導性和穩定的化學特性，成為納米壓頭的首選材料。

其獨特的晶體結構決定了壓頭的形狀與原子級晶體取向密切相關，通常壓頭的軸向與 [100] 晶向一致。不過，由于單晶金剛石的晶體各向異性強烈，在加工具有圓形特征的納米壓頭時存在一定困難。相比之下，藍寶石雖然硬度略遜一籌，但晶體各向異性較弱，適合加工球形、錐形等特殊形狀的納米壓頭。國際上針對納米壓頭的尺寸和形狀也制定了相應的標準，確保測試結果的準確性和可比性。

為了深入探究單晶硅的納米力學性能，研究人員借助納米壓痕技術，采用尖端四面體 Vickers 型單晶金剛石壓頭，對單晶硅(100)晶面展開了一系列的壓痕實驗。在實驗過程中，當施加的最大載荷達到 1000mN 時，單晶硅表面出現了明顯的裂紋和脆性斷裂，這清晰地展示了單晶硅在高載荷下的硬脆特性。而當載荷低于 80mN 時，單晶硅則表現出令人驚訝的延性特性，壓痕附近區域并未出現裂紋。這一發現為單晶硅的微納米級切削加工提供了重要的指導，意味著在加工微小型硅構件時，選擇合適的載荷條件，使單晶硅處于延性狀態進行加工，能夠有效提高加工質量，減少裂紋等缺陷的產生。

研究人員還對不同載荷條件下晶體硅的硬度進行了測試。實驗結果顯示，不同載荷下晶體硅的硬度測量值存在顯著差異。經過深入分析，發現這種差異源于壓痕區域晶體硅所受壓力不同，進而導致晶體硅內部結構發生改變。通過大量實驗數據的分析和處理，最終確定較為準確的單晶硅硬度測量值為 15.7GPa。此外，通過對載荷 - 壓痕深度實驗關系曲線的研究發現，卸載曲線會出現斜率變化顯著的拐點或變化平緩的階段，這進一步證實了在納米壓痕測試過程中，晶體硅的內部結構發生了改變。

對單晶硅納米力學性能的研究具有重要的現實意義。在微納制造領域，精確掌握單晶硅的力學性能有助于優化加工工藝，提高微納構件的制造精度和質量，降低生產成本。在生物醫學工程中，單晶硅作為生物傳感器等器件的材料，其納米力學性能的研究為提高器件的生物相容性和穩定性提供了理論依據。隨著科技的不斷進步，對單晶硅納米力學性能的研究也將不斷深入，未來有望在更多領域取得突破，為相關產業的發展注入新的活力。