悬浮单晶硅薄膜力学特性的研究

Monocrystalline silicon nanomembrane (SiNMs) become flexible with the decrease of the thickness. They can be widely used in the flexible field, such as flexible intelligent glass, dome camera, wearable electronic equipment and nanoelectromechanical system. However, as the thickness decreases, even as low as several nanometers, the questions about the variation of the mechanical properties and the measurement methods, are worth studying. In order to solve this problem, the mechanical properties of SiNMs were studied by using floating SiNMs, which mainly included the following three aspects: (1) Quantitative analysis of elastic deformation and fracture process of suspended silicon thin films. SiNMs will be transferred to a well-designed substrate with slot or holes, and the force-displacement curve will be tested. Based on the large deformation plate model, the mechanical parameters of the material will be obtained, especially the variation of Young's modulus with the thickness; (2) Effect of surface state on mechanical behavior. The surface area increases and the surface effect becomes more and more prominent. The influence of surface structure on the mechanical properties of SiNMs will be determined by mechanical testing and calculation of suspended SiNMs with different surface conditions. (3) Effect of device process on SiNMs’ deformation. Through the research of the above, it will provide the theoretical basis for SiNMs device design.

单晶硅薄膜（SiNM）厚度降低，其柔性和伸展性增加，能应用在柔性智能玻璃、半球摄像机、可穿戴电子设备和纳米机电系统等方面，在柔性领域得到了广泛的关注。随着厚度的降，甚至低至几个纳米，SiNM机械性能如何测量和如何演变都有待研究。针对该问题，本项目提出用悬浮SiNM来研究SiNM的力学性能，主要包括以下三个方面：(1)定量分析悬浮硅薄膜的弹性形变和断裂过程。将SiNM转移至设计好的含有槽孔的衬底上，再对SiNM进行力-位移曲线的测试。基于大形变薄板模型，获得材料的力学参数，特别是杨氏模量随厚度的变化规律；(2)表面状态对SiNM力学行为的影响。比表面积增加，表面效应越来越突出。通过对不同表面状态的悬浮SiNM进行力学测试和计算，确定表面结构对SiNM力学性能的影响；（3）器件工艺对SiNM形变的影响。通过上述内容的研究，最终为SiNM的器件设计提供理论依据。

随着微纳技术的发展，微型电子设备以及柔性电子设备的需求也大大增加，这对材料的电学和力学性能都提出了较高的要求。纳米级单晶硅薄膜（SiNM）具有柔性的特性，并且能与现有的集成电路工艺相兼容性，因此它对柔性电子系统（如可佩戴电子，物联网，半球形相机等）具有很重要的意义。虽然SiNMs 具有柔性和伸展性，但是对于器件设计来说，至关重要的问题之一是量化硅薄膜的机械性能。这方面的研究，还存在着一些争议和很多重要的问题没有解决：无衬底干扰的SiNMs的力学性能测量； SiNMs 的表面效应对SiNMs 力学影响；表面/界面状态的影响。.本项目的主要研究结果如下：.（1）获得了单晶悬浮硅薄膜。首先设计了多孔阵列。对硅片进行了光刻和干刻，获得了不同直径的孔，尺寸为2 um至30 um。孔的深度超过了5 um。再通过湿法刻蚀把SiNM转移至多孔的衬底上，制造了悬浮SiNMs。通过实验发现，悬浮区域的直径和薄膜厚度的比值对力学测试影响较大。该比值不能小于375；.（2）硅纳米薄膜的抗氧化性。对于厚度只有几个纳米的硅薄膜进行自然氧化，拉曼测试表现出，Si-Si的随着时间的增加而减弱。但是减弱的程度相对于块体硅要慢。这表明超薄硅相对于块体硅具有一定的抗氧化能力。XPS测试氧化层厚度，于拉曼结果一致。.（3）基于大形变薄板模型，定量分析了硅薄膜的弹性性能。用原子力显微镜对悬浮SiNM进行了力-位移曲线的测试。根据大形变的圆形的四周受限制的薄板模型，对力-位移曲线进行了定量分析，获得了SiNM的杨氏模量。讨论了厚度和比表面积增加，也就是表面效应越来越突出的情况下，SiNM杨氏模量的变化。SiNM杨氏模量随着比表面积（表面积比体积）的增加而指数减小。