多晶桂薄膜的启动微摩擦特性的研究.pdfVIP

、 多晶硅薄膜的启动微摩擦特性研究 丁建宁，温诗铸．盂永钢 清华大学摩擦学国家重点实验室．100084 摘要在微型机电系统中元件之间会产生接触，因此磨损将影响到系统的寿命，摩擦和粘滑还 套影响到装王的工作可靠性，特别是启动摩擦会影响到装王的工作稳定性．利用球盘摩擦实验 装置对大气环境下多晶硅薄膜在与蓝宝石球和钢球对摩时的启动摩擦进行了研究．利用原于力 显擞镜(^刚)对表面形貌进行了分析．实验结果表明，当与蓝宝石球对摩时多晶硅薄膜的启 动摩擦非常不稳定，但当与钢球对摩时启动摩擦则比较稳定．这种现象表明，在低载荷下的微 摩攘状态，摩擦力并不与表面粗糙度很好对应，而此时摩擦的电子分量需加以考虑，其机理还 需进一步研究． 关键词多晶硅薄膜启动摩擦原子力显微镜 { -j 1 在微型机械中，由于尺寸效应的影响，使得表面摩擦力的作用远远超过体积力，降低摩擦 以节约能耗就成为关键问题。同时微型机械中的传动有时也会利用摩擦力，因此就要求对摩擦 实现严格的主动控制，摩擦力的稳定则成为主要问题。由于在微型机电系统中元件之间会产生 接触，因此磨损将影响到系统的寿命，摩擦和粘滑还会影响到装置的工作可靠性。特别是启动 摩擦会影响到装置的工作稳定性。对微型机电装置中的静摩擦已进行了一些研究，并采刚了一 些固体润滑膜和分子白组装膜来减少磨损、减低摩擦[1，2]．由于硅具有廉价、资源丰富、较 好的机械力学性能，目前多晶硅仍是制造微型机械的主要材料。为了更好地利用多晶硅材料， 需研究多品硅薄膜的启动摩擦性能。然而，还未见这方面的文献报道。本文首次就大气环境下 的多品硅薄膜的启动摩擦稳定性进行研究， 1实验方法 1．1实验装置与方案 摩擦实验在往复运动式球盘摩擦试验机上进行。实验分别采用一个蓝宝石球和一个钢球来 与样品对摩，球的直径为6mill，表面粗糙度为2nm。球被静止固定于带有半导体应变仪的I 字型截面结构梁上。样品被放置在由一直流电机带动的往复运动工作台上。通过微驱动机构驱 动粱下压样品来施加法向载荷。载荷和摩擦力由应变仪测得，利用一台计算机采集数据。摩擦 m mN、40ⅡlN、 力测量时，行程为15．7mm，滑动速度为0．5s～，法向载荷采用15ⅢN、20 50lnN和100lIIN．所有的测量在大气环境条件下进行。另外还利用原子力显微镜(AFM)来测 量分析样品的三维表面形貌。 1．2实验样品 在100nⅢ厚的氧化膜上采用LPCVD法沉积制备n+型多晶硅薄膜，膜厚2¨m。膜的制备过 uUl厚，(4)在1000 法热氧化生成100m厚的氧化膜，(3)利用LPCYD法沉积多晶硅膜至2 mTorr、 PCVD沉积参数为温度650。C、压力300 。c温度下热扩散90分钟对多晶硅膜掺杂磷。L uⅧ。 热解硅烷。多品硅薄膜的品粒尺寸为0．2 2结果与讨论 2．1表面粗糙度 利用原子力显微镜(AFM)测得样品的三维表面轮廓，如图1所示。图1为多品硅膜的三维 N／m)。 m，弹性刚度。0．1 表面轮廓。表面轮廓的测量采用微加工的Si。M针尖(直径z30—50 427 样品的扫描区域为4um×4 u111 u111，扫描速度为4s～。表面粗 糙度用表面高度的均方根值(r．m．S．)表示。可以看出，旷型 多晶硅