單晶硅微米壓痕過(guò)程的有限元分析（開(kāi)題報(bào)告）
1 課題的目的及意義
1.1 研究目的及意義
近年來(lái)微壓痕、納米壓痕實(shí)驗(yàn)被廣泛應(yīng)用于測(cè)定各種固體材料的力學(xué)性質(zhì)。因?yàn)閴汉蹖?shí)驗(yàn)可以從兩個(gè)方面反映材料的力學(xué)特性，其一為試驗(yàn)過(guò)程中連續(xù)記錄的載荷-壓痕位移曲線，其二為壓頭下方材料在受壓變形過(guò)程中的演化特征以及卸載后殘留的壓痕形貌特征。通過(guò)載荷-壓痕位移曲線可以獲得材料的彈性模量、硬度、硬化指數(shù)以及屈服強(qiáng)度等;而通過(guò)對(duì)卸載后的壓痕殘余形貌研究，可以定性的研究材料的塑性特性、位錯(cuò)形態(tài)演化以及確定壓痕變形機(jī)理等。另外壓痕實(shí)驗(yàn)還可用于測(cè)定蠕變性能，殘余應(yīng)力等，并且常被用來(lái)測(cè)定材料發(fā)生塑性變形行為。
隨著微電子工業(yè)的發(fā)展，人們迫切需要知道黏附在機(jī)體上薄膜的性質(zhì)。但是用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段無(wú)法獲得黏附在機(jī)體上薄膜的性質(zhì)，因?yàn)閴K體形式的材料其性質(zhì)不同于薄膜形式的材料。而且由于微壓入壓痕深度一般控制在微米甚至納米尺度，所以成為薄膜、各類涂層、材料表面及其改性的力學(xué)性能檢測(cè)的理想手段。該實(shí)驗(yàn)技術(shù)不斷向微電子、集成微光機(jī)電系統(tǒng)、生物材料、醫(yī)療器材、微機(jī)械等領(lǐng)域延伸，已成為檢測(cè)材料微小區(qū)域力學(xué)性能的有效手段。總之，壓痕實(shí)驗(yàn)作為一種簡(jiǎn)單的、方便的、局部的、非破壞方法已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。
一直以來(lái), 單晶硅是電力電子、微機(jī)械、場(chǎng)致發(fā)光器件等的重要材料, 特別是作為大規(guī)模集成電路（IC）基板發(fā)揮著重要作用。其主要表現(xiàn)在IC技術(shù)上，因?yàn)镮C技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)基礎(chǔ)材料單晶硅片,全球90%以上的IC都要采用單晶硅片。并且集成電路(IC)是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)和信息社會(huì)的基礎(chǔ)。IC技術(shù)是推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)信息化發(fā)展最主要的高新技術(shù),也是改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)。隨著IC技術(shù)的飛速發(fā)展,集成度越來(lái)越高,元件的設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜,其特征尺寸的數(shù)量級(jí)已超過(guò)微米量級(jí)而接近納米量級(jí)，而這就要涉及到超精密加工。材料的超精密加工機(jī)理研究對(duì)提高集成電路的超精密加工技術(shù)發(fā)展起著非常重要作用。
由上可知，壓痕實(shí)驗(yàn)?zāi)軠y(cè)定給偶中固體材料的材料特性，這對(duì)當(dāng)代工業(yè)的發(fā)展極其重要，而微壓痕實(shí)驗(yàn)的研究能加快超精密加工技術(shù)的發(fā)展，并且單晶硅片是IC技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)材料。因此，單晶硅壓痕實(shí)驗(yàn)研究對(duì)單晶硅超精密加工技術(shù)的發(fā)展乃至當(dāng)代工業(yè)的發(fā)展非常重要。本課題的研究目的就是通過(guò)研究單晶硅表面的微壓痕過(guò)程，分析單晶硅的材料性能，如：彈性模量、硬度、硬化指數(shù)以及屈服強(qiáng)度等，對(duì)得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，并對(duì)其可能產(chǎn)生的作用效果等進(jìn)行預(yù)測(cè)，得以對(duì)提高集成電路的超精密加工技術(shù)起重要作用，從而推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)信息化發(fā)展。