用于TEM原位拉伸实验的集成单晶硅纳米梁.pdfVIP

中国科学 E 辑 : 技术科学 2009 年 第 39 卷 第 5 期 : 948 ~ 953 SCIENCE IN CHINA PRESS 用于TEM 原位拉伸实验的集成单晶硅纳米梁 MEMS 测试芯片研究 ①② ①②* ② ② ③ 金钦华 , 王跃林 , 李铁 , 李昕欣 , 许钫钫 ① 上海交通大学微纳科学技术研究院, 上海 200030; ② 中国科学院微系统与信息技术研究所传感技术国家重点实验室, 微系统技术国家实验室, 上海 200050; ③ 中国科学院硅酸盐研究所, 上海 200050 * E-mail:ylwang@ 收稿日期: 2007-05-09; 接受日期: 2007-07-24 国家重点基础研究发展计划(“973”计划)(批准号: 2006CB300406)资助 摘要 透射电镜内的原位拉伸测试是研究纳米尺度的单晶硅材料的力学性质的一种很有 关键词 发展前景的研究方法.开展了集成单晶硅纳米梁的微电子机械系统测试芯片的设计、制作, 并 微电子机械系统 完成了原位拉伸的测试实验. 集成的微电子机械系统芯片由基于静电梳齿结构的驱动器、测 透射电镜 力悬梁、单晶硅纳米梁及电子束透射窗等结构构成. 利用SOI 硅片和普通硅片采用体硅微加 单晶硅纳米梁 原位拉伸实验 工工艺及硅键合工艺加工完成了芯片制造. 通过透射电镜样品杆上的电极与微电子机械系统 芯片导通, 实现了对静电梳齿结构的驱动, 完成了与其相连的单晶硅纳米梁的拉伸观测. 对 此微电子机械系统芯片的测试实验结果表明, 随着驱动电压的增加, 单晶硅纳米梁逐渐被拉 动, 原位拉伸实验得到了该纳米梁的应力-应变关系, 对实验结果拟合后得到杨氏模量值为 161 GPa, 在误差范围内与体硅一致. 近年来, 随着微电子、微电子机械系统研究的深 开展的谐振测试[7], 这些实验都是对力学特性的间接 入, 器件结构的特征尺寸逐渐进入纳米尺度(1~100 测量. 作为力学测试中最直观、常用的测试方法, 拉 nm). 在纳米尺度, 材料的物理、化学性质由于受到尺 伸实验可以得到材料的杨氏模量、断裂强度等重要的 度效应、表面效应的影响, 开始表现出与宏观及微观情 力学参数. 但对自上而下方法制备的单晶硅结构开 况下不同的性质. 作为纳电子、纳电子机械系统的研究 展拉伸实验非常困难, 究其原因, 主要体现在如下两 [1~8] [9] [10] 重点, 单晶硅纳米结构的力学 、热学 、光学 性质 个方面. 1) 纳米尺度的单晶硅样品难于进行操控; 研究已逐步展开. 其中, 对单晶硅纳米力学的研究结 2) 施加与测量的应力或应变量极其微小, 难于精确 果表明, 随着结构特征尺度的减小(100 nm), 硅材 测量. 料的断裂强度变大, 而其杨氏模量值逐渐减小. 为了克服纳米实验力学中对样品的操纵与测量 目前对自上而下方法制备的单晶硅结构在纳米 的困难, 近年来, 人们开始尝试采用微电子机械系统 尺度的力学性质的实验研究方法主要有两类: 一是 (MEMS)技术制作MEMS测试芯片, 结合电子显微技 利用原子力显微镜(AFM) 的针尖对单晶硅纳米线、纳 术开展对纳米结构的原位拉伸实验研究. 从 1999年 米梁进行的弯曲实验[ 1~4], 另一类是对硅纳米悬臂梁 开始,