不同接触尺度下单晶硅的摩擦磨损性能研究

作     者：徐相杰 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：钱林茂

授予年度：2012年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：单晶硅 摩擦 磨损 滑动速度 接触尺度 晶面取向 微机电系统 

摘      要：随着纳米科技的发展,微机电系统(Microelectromechanical system, MEMS)在汽车、航空航天、通讯、医疗、环境保护等方面具有越来越广阔的应用前景。由于尺寸效应,MEMS存在的摩擦学问题不容忽视。基于其优异的物理与机械性能,单晶硅已成为制造MEMS的典型结构材料。因此,研究晶面取向和滑动速度对单晶硅的摩擦磨损规律对于MEMS的摩擦学设计具有重要的指导意义。此外,单晶硅的超光滑表面制造在超大规模集成电路、光传输、信息存储、国防等领域具有重要的应用。该制造过程主要涉及切削、研磨和抛光等,而加工速度对加工质量和加工效率有很大影响。因此,开展单晶硅磨损的基础研究,无论对于指导MEMS的摩擦学优化设计,以及提高单晶硅超光滑表面的加工效率,都有十分重要的意义。 本文分别采用纳米划痕仪和液压伺服磨损实验机,系统地研究了不同接触尺度下晶面取向和滑动速度对单晶硅损伤的影响;结合原子力显微镜(AFM)、激光共聚焦显微镜(LCSM)、光学显微镜(OM)和双模式3D形貌仪(AEP, NanoMap-D)等仪器,深入地分析了单晶硅在不同阶段的损伤特征。最后,对宏微观下单晶硅的损伤特征进行比较。所得出的主要结论如下： (1)在微观单点接触条件下,三种不同晶面取向的单晶硅在低载下的损伤均表现为隆起,其中Si(100)的隆起高度最高,Si(111)隆起最低。随着载荷增加,单晶硅的损伤逐渐转变为凹槽,晶面取向对于单晶硅的损伤影响不大。 (2)单晶硅在不同接触尺度下的损伤强烈地依赖于滑动速度。在微观单点接触条件下,滑动速度越高,低载下单晶硅表面所形成的凸结构越低;高载下接触区材料的塑性变形更加困难,划痕深度越浅。在宏观多点接触的摩擦过程中,单晶硅的磨损过程同时伴随犁沟、疲劳和氧化。滑动速度越高,单晶硅表面裂纹萌生得越多,扩展地越长,产生的磨屑越细,单晶硅表面的磨损量越少。 (3)单晶硅在不同接触尺度下表现出不同的磨损特征。在微观的单点接触条件下,单晶硅的损伤随载荷的增加主要表现为隆起向沟槽的转变;在宏观的多点接触条件下,即使在较低的名义接触应力下,单晶硅表面就会产生不同程度的磨损,损伤主要表现为材料的去除和裂纹的萌生。