Νανομηχανικές ιδιότητες Πυριτίου

Abstract

Το καθαρό κρυσταλλικό πυρίτιο αποτελεί βασικό υλικό στη βιομηχανία των ημιαγωγών, ιδιαίτερα στην ανάπτυξη των μικρο/νανοηλεκτρομηχανικών συστημάτων (MEMS/NEMS). Για τον σχεδιασμό ή την κατασκευή των MEMS/ NEMS, απαιτείται μια σε βάθος κατανόηση των μηχανισμών παραμόρφωσης του πυριτίου κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας επιφανειών. Ωστόσο, η πλήρης περιγραφή του υλικού δεν έχει ακόμη επιτευχθεί, καθώς δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητές οι νανομηχανικές του ιδιότητές. Το γεγονός αυτό εμποδίζει την περαιτέρω ανάπτυξη της νέας γενιάς συσκευών υψηλής απόδοσης. Το πορώδες Si κατασκευάζεται με ηλεκτροχημική εγχάραξη (ανοδίωση) κρυσταλλικού Si. Δείχνει ενδιαφέρουσες ιδιότητες που είναι πολύ διαφορετικές από αυτές του αντίστοιχου μονοκρυσταλλικού Si, όπως η υψηλή ηλεκτρική αντίσταση μικρές διηλεκτρικές απώλειες σε RF και δύο τάξεις μεγέθους μικρότερη θερμική αγωγιμότητα. Στην παρούσα έρευνα, αξιολογήθηκαν οι μηχανικές ιδιότητες του δείγματος μονοκρυσταλλικού Si και τριών δειγμάτων πορώδους Si με την τεχνική της νανοδιείσδυσης. Το αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η διερεύνηση των νανομηχανικών ιδιοτήτων (νανοσκληρότητα (H), μέτρο ελαστικότητας (E)) και των χαρακτηριστικών παραμόρφωσης, αντοχής και φθοράς (H/E, % Plasticity, Plasticity index (b)) του μονοκρυσταλλικού και πορώδους πυριτίου κάτω από χαμηλό φάσμα φορτίων. Το δείγμα μονοκρυσταλλικού Si που χρησιμοποιήθηκε ήταν τύπου p με (100) προσανατολισμό. Το πορώδες Si διαμορφώθηκαν από ηλεκτροχημική διάλυση (ανοδίωση) μονοκρυσταλλικού Si. Σχηματίστηκαν τρία δείγματα με διαφορετικό πάχος μεμβράνης και πορώδους δομής. Τα δείγματα PPM1A και PMM1C σχηματίστηκαν από p+ -τύπου Si και παρουσιάζουν μεσοπορώδη δομή με κυλινδρικούς πόρους. Το δείγμα PM1C (σπογγώδους δομής) σχηματίστηκε από ηλεκτροχημική ανοδίωση p-τύπου Si (100). Στην παρούσα εργασία, μελετήθηκαν δείγματα Si με την τεχνική της νανοδιείσδυσης (ακίδα Berkovich), σε διαφορετικά επιβαλλόμενα φορτία. Βρέθηκε ότι το μονοκρυσταλλικό Si εμφανίζει υψηλότερες τιμές σκληρότητας (H) και μέτρου ελαστικότητας (E) σε όλα τα εφαρμοζόμενα φορτία σε σύγκριση με τα δείγματα πορώδους Si. Η μετρούμενη σκληρότητα και μέτρο ελαστικότητας είναι 12,8 GPa και 171 GPa, αντίστοιχα. Η σκληρότητα και μέτρο ελαστικότητας του πορώδους πυριτίου παρουσιάζουν ισχυρή εξάρτηση από τις συνθήκες προετοιμασίας τους και την τελική μικροδομή των δειγμάτων. Παρατηρείται ότι στα δείγματα με κάθετους πόρους οι τιμές της σκληρότητας και του μέτρου ελαστικότητας είναι παρόμοιες και περίπου 80% μικρότερες από αυτές που υπολογίστηκαν για το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο. Όσον αφορά τη σπογγώδη δομή του πορώδους Si, παρατηρήθηκαν ακόμα μικρότερες τιμές σκληρότητας και μέτρου ελαστικότητας. Η σκληρότητα και το μέτρο ελαστικότητας του δείγματος πορώδους Si μεσοπορώδους δομης και πάχους 47μm (PPM1A) είναι ~ 2,7 GPa και ~ 27 GPa, του δείγματος πορώδους Si (PPM1C) μεσοπορώδους δομής και πάχους 75 μm είναι ~ 2 GPa και ~ 26 GPa, ενώ του δείγματος πορώδους Si σπογγώδους δομής (PM1C) είναι ~ 1,4 GPa και ~ 19 GPa , σε βάθος διείσδυσης ~ 50 nm. Τα δείγματα πορώδους Si επέδειξαν μικρότερη αντίσταση στα επιβαλλόμενα φορτία σε σχέση με το μονοκρυσταλλικό Si. Η πλαστική παραμόρφωση των δειγμάτων με ευθείς πόρους παρατηρήθηκε να είναι εντονότερη σε σχέση με την αντίστοιχη της σπογγώδους δομής. Παρόλα αυτά παρατηρήθηκε ότι το μονοκρυσταλλικό Si παρουσιάζει σημεία έναρξης πλαστικής παραμόρφωσης, λόγω ατελειών που παρατηρούνται στις καμπύλες φόρτισης και αποφόρτισης. Επιπλέον, παρατηρήθηκε ότι το πορώδες προκάλεσε μικρή επίδραση στην αντοχή και στην φθορά των δειγμάτων PSi σε σχέση με το μονοκρυσταλλικό Si. Τέλος, τα αποτελέσματα και από τις δύο μεθόδους Oliver και Pharr (O & P) και με την προσαρμογή της P = a • hb η ανάλυση είναι ίδια. Οι τιμές του H/E και του παράγοντα b και για τα 4 δείγματα αυξάνονται με την αύξηση του φορτίου έως ότου φτάσει σταθερές τιμές, όταν εισέρχονται στην πλαστική περιοχή.

Bulk crystalline silicon is a key material in semiconductor industry, particularly in the development of micro/nanoelectromechanical systems (MEMS/NEMS). To design and fabricate MEMS/NEMS, an in-depth understanding of the deformation mechanisms in silicon during surface processing is essentially required. However, the constitutive description of the material is still unavailable, as its nanomechanical properties are not fully understood. This fact hinders the further development of new generations of high performance devices. Porous Si is fabricated by electrochemical etching of bulk crystalline Si and its fabrication process can be fully compatible with Si processing. It shows interesting properties that are very different from those of the corresponding bulk Si material, including a high resistivity and low dielectric losses at RF and a two orders of magnitude lower thermal conductivity than bulk crystalline Si. In the present thesis, the mechanical properties of 1 sample of monocrystalline Si and 3 samples of porous Si were evaluated by depth-sensing nanoindentation techniques. The scope of the work is to investigate the nanomechanical properties (hardness (H), elastic modulus (E)) and nanoscale deformation characteristics (H/E, %Plasticity, Plasticity index (b)) of monocrystalline and porous silicon under a low range of loads. The crystalline Si wafer used was p-type (100)-oriented. Porous Si was formed by electrochemical dissolution (anodization) of bulk crystalline Si. Three samples with different membrane thickness and pore structure were formed. Samples PPM1A and PMM1C were formed by p+-type Si and exhibited the structure of mesoporous Si with straight vertical pores. Sample PM1C (sponge like mesoporous Si) was formed by electrochemical anodisation of p-type (100) - oriented monocrystalline. The indentation analysis was performed using a nanomechanical test instrument using a Berkovich indenter. The indentation tests were carried out under different loading conditions. Bulk crystalline Si revealed higher H and E values at all applied loads compared to the PSi samples. The measured Hardness and Young’s modulus are 12.8 GPa and 171 GPa, respectively. The hardness and Young's modulus of porous silicon exhibit a strong dependence on the preparing conditions and the resulting microstructure. The hardness and Young's modulus of the sample with mesoporous Si structure and 47μm thickness (PPM1A) are ~ 2.7 GPa and ~27 GPa, of the sample with mesoporous Si structure and 75μm thickness (PPM1C) are ~ 2 GPa and ~ 26 GPa, while the sponge like mesoporous Si sample (PM1C) are ~ 1.4 GPa and ~ 19 GPa), at a contact depth corresponding to ~50 nm. PSi samples revealed their weaker response in applied stresses. Plastic deformation of the tested samples was more pronounced for PSi with straight vertical pores; however, crystalline Si revealed onsets of plastic nucleation sites due to discontinuities observed on load and unload curves. Moreover, it was observed that porosification caused little effect on the wear resistance of the PSi samples compared to bulk crystalline Si. Finally, the results from both Oliver and Pharr (O&P) method and the power law P =a • hb analysis are identical. H/E and b values for the 4 samples are increasing with increasing load until reach constant values when we enter the plastic from elastic area.