基于ABAQUS仿真的薄膜纳米力学性能研究

ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ：ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ ｄｅｐｔｈ ｈ，，ｃｏｎｔａｃｔ ｄｅｐｔｈ ｈｃ，ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ ｌｏａｄ Ｃ，ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ Ｓ ａｎｄ ｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｕｌｕｓ Ｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｍ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ Ｈ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｍ
首温度场，使等二轴残余应力ｑ与材料初始屈服应力仃，的比值仃，／仃，为 １，模拟了该试样的纳米压痕过程，得到了压痕过程中Ｍｉｓｅｓ应力云纹图及载荷 一深度曲线。
其次，针对三个试样模型，依次施加ｑ肛。为０和±１的等二轴残余应力， 对压头依次施加１００—３００ ｎｍ间隔为２５ ｎｍ的位移载荷，结果表明，薄膜的残余 压入深度ｈ，、接触深度玩、规范化加载载荷Ｃ、刚度ｓ和弹性模量Ｅ随基底的弹 性模量增加而增大，而薄膜的硬度日无明显变化。以、Ｃ、Ｓ、Ｈ和Ｅ在ｑ／仃。＝一１ 时最大，在ｑ户，＝１时最小；而ＪＩｌ，的结果与之相反。薄膜的ｈｒ、吃、Ｃ、Ｓ、Ｈ 和Ｅ随压深的增加呈规律性变化并受应力状态的影响。
ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ．Ｔｈｅ ｒｕｌｅ ｏｆ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ
ｓｔｒｅｓｓ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｍ．Ｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｕｌｋ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｒｅｍａｉｎ ｕｎｃｈａｎｇｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ，
基于ＡＢＡＱＵＳ仿真薄膜的纳米力学性能研究
征应力。外应力是薄膜在外部作用下形成的，或者是在淀积成膜过程中由于薄膜
结晶或体积变形所引起的。内应力是薄膜制造过程中自身产生的力，热应力是薄
膜沉积中和沉积后，由于温度变化导致膜层之间或膜基之间热失配而引起的，也
称为热失配应力，它是可逆的；本征应力是由薄膜的内部结构和缺陷引起的，它
Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ，ｅｑｕｉ－ｂｉａｘｉａｌ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ Ｏ＂ｒ／Ｏ＇ｙ ２０ ａｎｄ±１ ｗｅｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ．Ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｌｏａｄｓ ｗｅｒｅ ｉｍｐｏｓｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｄｅｎｔｅｒ ｆｒｏｍ １００ ｔｏ ３００ ｍｎ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ ｉｓ ２５ｎｍ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ
ｄｅｃｒｅａｓｅ ｌｉｎｅａｒｌｙ，Ｃ ｄｅｃｒｅａｓｅ ａｓ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｐａｒａｂｏｌｉｃ．Ｈ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ
ｔ｜６ ｏｆ ｏ ９ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｒａｔｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｒｅ ｓｍａｌｌｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ
ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ ｄｅｐｔｈ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｓｔａｔｅ ａｔ ｔｈｅ ｓａｌｌｌｅ ｔｉｍｅ．
ＩＩＩ
基于ＡＢＡＱＵＳ仿真薄膜的纳米力学性能研究
ｒ｜６ Ｌａｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｓｔａｔｅ ｏ
此外，基底对薄膜力学性能的影响也必须考虑在内。由于薄膜在制作时都需 要沉积在基底上，在测试薄膜的力学性能时，研究对象为薄膜和基底组成的膜／ 基系统，由于薄膜的厚度很薄，且测试设备的精度有限，故实验测得的薄膜力学 性能通常为基底与薄膜的综合性能【２。３１。
１．２薄膜残余应力的产生机理
薄膜中残余应力的形成是一个复杂的过程，研究表明，薄膜残余应力是在薄 膜生长过程以及成膜后老化过程中逐步形成和发展的。薄膜的残余应力类型分为 拉应力和压应力；按其来源，分为外应力和内应力，而内应力又分为热应力与本
论文的研究成果为薄膜基底的正确选择、降低和消除残余应力、提高ＭＥＭＳ 的可靠性和使用寿命具有一定的指导意义。
关键字：ＡＢＡＱＵＳ，等二轴残余应力，硬基／软膜，纳米压痕特性，力学性能
江苏大学硕士学位论文
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｉｃｒｏ—ｎａｎｏ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏｄａｙ，ｔｈｅ ｆｉｌｍ ｗｈｉｃｈ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｔａｋｅｎ ａｓ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｂａｓｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ ｏｆ ＭＥＭＳ．Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＭＥＭＳ ａｒｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｃｅ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｌｉｆｅ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｄｉｒｅｃｔｌｙ．Ｓｏ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ａｎｄ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｍ ｈａｄ ｂｅｃｏｍｅ ａ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｃｕｓ．Ｔｗｏ ｓｏｆｔ ｆｄｍ／ｈａｒｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ
对于各种薄膜电子元器件、微电子元件以及薄膜光学元器件，都存在薄膜的 残余应力问题，它的存在直接影响到薄膜元器件的成品率、可靠性和稳定性。例 如，残余应力会影响半导体的禁带性能，在超导体中影响温度的转变和磁各向异 性，同时由薄膜中残余应力引起的基体变形对于集成电路技术的发展有很大影 响：薄膜的拉应力过大，会使薄膜剥离、翘曲；反之，压应力过大，则会使薄膜 起皱或脱落，基片翘曲开裂。残余应力还会影响器件的力学性能，如造成粘附和 振动。
是不可逆的，主要受基片温度、真空压力、薄膜生长率和残余气体温度等因素影
响。因此薄膜中残余应力一般由三部分组成：即外应力、热应力和本征应力，可
用公式（１．１）表示：
‰＝％＋％＋‰，
（１．１）
热应力一般是基于传统的梁弯曲理论来计算的，对于单层膜，具体表示为：
ｗｈｉｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｆｉｌｍ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｄｅｃｒｅａｓｅ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｌａｗ ａｒｅ ｑｕｉｔｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．
Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｈａｖｅ ｓｏｍｅ ｇｕｉｄｉｎｇ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｉｎ ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｃｏｒｒｅｃｔｌｙ，ｒｅｄｕｃｉｎｇ ａｎｄ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ，ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｌｉｆｅ ｏｆ ＭＥＭＳ．
ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｓｉｓｔ ｏｆ ｔｗｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｈａｒｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ ａｎｄ ａ ｓｏｆｔ ｆｉｌｍ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．
Ｔｈｅ ｌｌａｎｏ·ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｗｅｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＢＡＱＵＳ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｅｑｕｉ—ｂｉａｘｉａｌ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｏｎ ｔｈｅ ｎａｎｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｂｕｌｋ ｓａｍｐｌｅ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ
ｄｏｎ’ｔ ｃｈａｎｇｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．Ｔｈｅ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｈｃ，Ｃ，Ｓ，Ｈ ａｎｄ Ｅ ｒｅａｃｈ ｔｏ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｗｈｅｎ ｏｒ Ｏ＇ｙ＝一１，ｗｈｉｃｈ ｒｅａｃｈ ｔｏ ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍ ｗｈｅｎ ａｒ｝ｄｙ＝１．Ｗｈｉｌｅ ｈｆ ｒｅｃｅｉｖｅ ｔｈｅ ｏｐｐｏｓｉｔｅ ｒｅｓｕｌｔｓ．ｈｆ，ｈｃ，Ｃ。Ｓ，Ｈ ａｎｄ Ｅ ｓｈｏｗ ｒｅｇｕｌａｒ ｃｈａｎｔｓ
最后，讨论了恒定载荷作用下应力状态ｄ，／仃，与薄膜的压痕特性和力学性能 之间的关系，结果表明：在盯，／∥，从，１变化至１的过程中，ｈ，线性递增；吃和ｓ 线性递减；Ｃ呈近似抛物线状递减；日呈递减趋势，但在压应力阶段的递减速 率比拉应力阶段的小；块体试样的Ｅ保持不变，而两个薄膜试样的Ｅ递减，但变 化规律有较大差异。
ｔｈｅ ｓａｌＩｌｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｍ ｗａｓ ｔａｋｅｎ ａｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．
Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａ ｆｉｌｍ／ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＢＡＱＵＳ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｗｅｒｅ ｉｍｐｏｓｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｅｘｌｕｉ—ｂｉａｘｉａｌ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ盯，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｓｓ ６。ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｓ １．Ｔｈｅ ｎａｎｏ—ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｉｓｅｓ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏａｄ·ｄｅｐｔｈ ｃｕｒｖｅ ｗｅｒｅ ｇｏｔ．
９ Ｏｉｌ ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ
ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｌｏａｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ：
ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ。ａｒ／Ｃｒｙ ｃｈａｎｇｅ ｆｒｏｍ一１ ｔｏ １，ｈＩ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｌｉｎｅａｒｌｙ，ｈｃ ａｎｄ Ｓ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＡＢＡＱＵＳ，ｅｑｕｉ－ｂｉａｘｉａｌ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ，ｈａｒｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ／ｓｏｆｔ ｆｉｌｍ， ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｙ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ
ＩＶ
江苏大学硕士学位论文
第 弟一一早章三百绪可论匕
１．１课题的研究背景
微电子机械系统（ＭＥＭＳ）是指将微机械和ｉｃ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉ０集成在一起的， 可以完成某种特定功能的系统。ＭＥＭＳ的诞生和发展，是新的高技术产业的生 长点，并将导致２１世纪产生一场新的产业革命１１１。目前，ＭＥＭＳ通常采用与传 统的ＩＣ工艺相兼容的表面硅微加工方法，其结构是经过先在牺牲层上形成平板 或者梁结构，然后再腐蚀掉牺牲层而得到的，这种工艺不可缺少的步骤是在基底 上沉积薄膜。然而，薄膜在生产、制备过程中通常会有残余应力产生，残余应力 会对膜／基系统的各种性能产生不良影响，如削弱薄膜和基底之间的结合力、破 坏外延膜的完整性以及在薄膜表面产生异常析出，随着薄膜厚度的增加，薄膜中 总的残余应力值增大，还有可能导致厚膜从基底上脱落。
江苏大学 硕士学位论文 基于ABAQUS仿真的薄膜纳米力学性能研究 姓名：张龙 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：丁建宁
20120609
江苏大学硕士学位论文
摘要
在微纳米科学技术快速发展的今天，薄膜作为制作ＭＥＭＳ器件的重要基础 材料，残余应力和基底的存在对其力学性能影响很大，而这将直接影响器件的寿 命及稳定性，因此，基底和残余应力对薄膜的力学性能影响问题成为当前的研究 热点。论文以两种不同硬基底和同一种软薄膜构成的软膜硬基系统为对象，利用 ＡＢＡＱＵＳ软件，对试样的纳米压痕过程进行仿真，研究等二轴残余应力和基底 对薄膜纳米力学性能的影响，并与薄膜同材料的块体材料进行了对比研究。