留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

薄膜厚度对Si基SiO2薄膜力学性能的影响

聂晓梦 李继军 郎风超 张伟光 赵春旺 邢永明

聂晓梦, 李继军, 郎风超, 张伟光, 赵春旺, 邢永明. 薄膜厚度对Si基SiO2薄膜力学性能的影响[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(4): 646-651. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180211
引用本文: 聂晓梦, 李继军, 郎风超, 张伟光, 赵春旺, 邢永明. 薄膜厚度对Si基SiO2薄膜力学性能的影响[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(4): 646-651. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180211
Nie Xiaomeng, Li Jijun, Lang Fengchao, Zhang Weiguang, Zhao Chunwang, Xing Yongming. Effect of Film Thickness on Mechanical Properties of Si-based SiO2 Thin Films[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(4): 646-651. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180211
Citation: Nie Xiaomeng, Li Jijun, Lang Fengchao, Zhang Weiguang, Zhao Chunwang, Xing Yongming. Effect of Film Thickness on Mechanical Properties of Si-based SiO2 Thin Films[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(4): 646-651. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180211

薄膜厚度对Si基SiO2薄膜力学性能的影响

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180211
基金项目: 

国家自然科学基金项目 11562016

国家自然科学基金项目 11762014

国家自然科学基金项目 11762013

内蒙古自然科学基金项目 2018MS01013

内蒙古工业大学科研项目 X201713

国家留学基金项目 20145049

详细信息
    作者简介:

    聂晓梦(1992-), 硕士研究生, 研究方向为固体材料微结构, 153726497@qq.com

    通讯作者:

    李继军, 副教授, 硕士生导师, ji_jun_li@163.com

  • 中图分类号: TG147

Effect of Film Thickness on Mechanical Properties of Si-based SiO2 Thin Films

  • 摘要: 为了研究薄膜厚度对Si基SiO2薄膜力学性能的影响规律,利用纳米压痕技术及有限元模拟方法对不同厚度的Si基SiO2薄膜材料进行测试,分析了不同厚度薄膜的硬度及弹性模量等力学性能,讨论了不同压深膜厚比对不同厚度薄膜弹性恢复率的影响,并在试验的基础上,建立了有限元模型,模拟了不同厚度薄膜在相同压深下的载荷位移关系,分析了薄膜的弹性恢复性能。结果表明:SiO2薄膜越厚其弹性模量越小,而薄膜的硬度在薄膜较薄时压痕的尺寸效应更明显,并利用模拟进一步分析得出薄膜越薄弹性恢复性能越好。
  • 图  1  硬度随压深的变化

    图  2  弹性模量随压深的变化曲线

    图  3  样品Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ压深占膜厚百分比相同情况下的载荷位移曲线

    图  4  样品Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ在不同压深膜厚比下的弹性恢复率

    图  5  模型及网格划分

    图  6  不同厚薄膜压深不同时,试验与模拟载荷位移关系

    图  7  3种厚薄膜模拟固定压深50 nm载荷位移关系

    表  1  模拟材料参数

    名称 弹性
    模量/GPa
    泊松比 屈服
    强度/GPa
    切线
    模量/GPa
    SiO2薄膜 81 0.27 7.15 8.45
    Si基底 180 0.23 9.14 10.98
    下载: 导出CSV

    表  2  不同厚度SiO2薄膜塑性参数

    参数名称 500 nm 1000 nm 2000 nm
    弹性模量/GPa 88 81 77
    屈服强度/GPa 8.7 7.15 6.3
    切线模量/GPa 9.45 8.45 8.35
    下载: 导出CSV
  • [1] Liu G Y, Ni S, Song M. Effect of indentation size and grain/sub-grain size on microhardness of high purity tungsten[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2015, 25(10):3240-3246 doi: 10.1016/S1003-6326(15)63958-9
    [2] 孙俊峰, 石霞.PECVD SiO2薄膜内应力研究[J].半导体技术, 2008, 33(5):397-400 doi: 10.3969/j.issn.1003-353X.2008.05.009

    Sun J F, Shi X. Study of internal stress in PECVD SiO2 thin films[J]. Semiconductor Technology, 2008, 33(5):397-400(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1003-353X.2008.05.009
    [3] 李默.硅微通道结构对SiO2薄膜热应力的影响[D].长春: 长春理工大学, 2013

    Li M. Effect of micro-channel structure on thermal stresses of silicon dioxide film[D]. Changchun: Changchun University of Science and Technology, 2013(in Chinese)
    [4] Liu H S, Wang L H, Jiang Y G, et al. Study on SiO2 thin film modified by post hot isostatic pressing[J]. Vacuum, 2018, 148:258-264 doi: 10.1016/j.vacuum.2017.11.018
    [5] Rakshit S, Tripuraneni R, Nadimpalli S P V. Real-time stress measurement in SiO2 thin films during electrochemical lithiation/delithiation cycling[J]. Experimental Mechanics, 2018, 58(4):537-547 doi: 10.1007/s11340-017-0371-2
    [6] Bhushan B. Nanotribology and nanomechanics[M]//Bhushan B. Springer Handbook of Nanotechnology. Berlin, Heidelberg: Springer, 2010: 1227-1265
    [7] Liu S, Huang H, Gu Y T. Deconvolution of mechanical properties of thin films from nanoindentation measurement via finite element optimization[J]. Thin Solid Films, 2012, 526(1):183-190 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=ec4d43b063cf8c8b10c8a078ead958c3
    [8] Karimzadeh A, Ayatollahi M R, Alizadeh M. Finite element simulation of Nano-indentation experiment on aluminum 1100[J]. Computational Materials Science, 2014, 81:595-600 doi: 10.1016/j.commatsci.2013.09.019
    [9] Shan Z H, Sitaraman S K. Elastic-plastic characterization of thin films using nanoindentation technique[J]. Thin Solid Films, 2003, 437(1-2):176-181 doi: 10.1016/S0040-6090(03)00663-1
    [10] Chatterjee A, Kumar N, Abelson J R, et al. Nanoscratch and nanofriction behavior of hafnium diboride thin films[J]. Wear, 2008, 265(5-6):921-929 doi: 10.1016/j.wear.2008.02.002
    [11] Yu C, Yang R, Feng Y H, et al. Relationships between the work recovery ratio of indentation and plastic parameters for instrumented spherical indentation[J]. MRS Communications, 2015, 5(1):89-94 doi: 10.1557/mrc.2015.10
    [12] Kim M, Marimuthu K P, Lee J H, et al. Spherical indentation method to evaluate material properties of high-strength materials[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2016, 106:117-127 doi: 10.1016/j.ijmecsci.2015.12.008
    [13] 张晓玲.薄膜厚度对其纳米压痕行为影响的有限元分析[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2005

    Zhang X L. Finite element analysis of the influence of film thickness on the nanoindentation behavior[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2005(in Chinese)
    [14] 王海斗, 董美伶, 崔秀芳, 等.不同厚度纳米Ti薄膜的力学性能[J].材料工程, 2015, 43(11):50-56 doi: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.11.009

    Wang H D, Dong M L, Cui X F, et al. Mechanical properties of Nano Ti films with different thickness[J]. Journal of Materials Engineering, 2015, 43(11):50-56(in Chinese) doi: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.11.009
    [15] 吴子景, 吴晓京, Shen W D, 等.集成电路钝化层薄膜的纳米力学性质研究[J].西安交通大学报, 2008, 42(11):1345-1349 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/xajtdxxb200811007

    Wu Z J, Wu X J, Shen W D, et al. Nanomechanical properties of passivation thin films in integrated circuit[J]. Journal of Xi'an Jiaotong University, 2008, 42(11):1345-1349(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/xajtdxxb200811007
    [16] 陈秀.MEMS薄膜纳米压痕法测试和仿真研究[D].北京: 北京理工大学, 2014

    Chen X. Test and simulation of MEMS film based on Nano-indentation[D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2014(in Chinese)
    [17] 王月敏, 闫相桥, 李垚, 等.基于纳米压痕技术的本构关系反演分析进展[J].材料导报, 2017, 31(17):1-5 doi: 10.11896/j.issn.1005-023X.2017.017.001

    Wang Y M, Yan X Q, Li Y, et al. A review of reverse analysis for material constitutive relation based on nanoindentation technique[J]. Materials Review, 2017, 31(17):1-5(in Chinese) doi: 10.11896/j.issn.1005-023X.2017.017.001
    [18] Zhao M H, Chen X, Xiang Y, et al. Measuring elastoplastic properties of thin films on an elastic substrate using sharp indentation[J]. Acta Materialia, 2007, 55(18):6260-6274 doi: 10.1016/j.actamat.2007.07.045
  • 加载中
图(7) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  380
  • HTML全文浏览量:  117
  • PDF下载量:  50
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-06-10
  • 刊出日期:  2019-04-05

目录

    /

    返回文章
    返回