垃圾分揀裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計-大型城市生活垃圾綜合處理分選裝置總體設(shè)計含7張CAD圖,垃圾,分揀,裝置,結(jié)構(gòu)設(shè)計,大型,城市生活,綜合,處理,分選,總體,整體,設(shè)計,cad 附錄：譯文 超薄HfO2薄膜納米劃痕測試的力學性能研究 摘要： 測試10nm的原子沉積HfO2薄膜的耐磨性和壓痕硬度，從而研究退火對其力學性能影響。超薄片在低負荷時的耐磨損性能是通過原子力顯微鏡的納米劃痕試驗測量。納米劃痕的深度隨退火溫度升高而降低，這表明退火后薄膜的硬度隨退火溫度的升高而增加。通過納米劃痕試驗產(chǎn)生表面壓痕。退火后的薄膜硬度變化的主要原因是由于退火產(chǎn)生了HfSixOy。 X-射線光電子能譜（XPS）測量證明，HfSixOy的硬度隨退火溫度的升高而增加。存在的HfSixOy擴大了界面，使界面層的厚度的增加。因此，表面硬度隨退火產(chǎn)生的HfSixOy的增加而增加。 關(guān)鍵詞： HfO2；薄膜；納米壓痕；原子力顯微鏡；納米壓痕。 1、 介紹 在半導體產(chǎn)業(yè)中，為了以較低的成本獲得良好的功能和性能，晶體管的溝道長度和柵介電層厚度等特征尺寸被要求不斷縮小[1-3]。二氧化鉿（HfO2）由于其具有相對較高的介電常數(shù)，折射率大，并且具有寬的帶隙，是一種很有前途的材料，以取代二氧化硅[2-4]用于減少柵極絕緣層的厚度。但是，氧化鉿在硅片上不具有熱穩(wěn)定性。 HfO2薄膜的熱退火引起的結(jié)構(gòu)和界面的穩(wěn)定性的變化已經(jīng)得到了廣泛的研究。X射線衍射分析（XRD）表明，如相，結(jié)晶和晶粒度大小等結(jié)構(gòu)性能由退火溫度決定[5,6]?，F(xiàn)通過光譜橢偏觀察到的光學常數(shù)隨退火溫度的增加而增加[6,7]。電子電路應用程序的集成兼容性和長期可靠性取決于其機械性能，這是由于其耐磨損性，熱循環(huán)和內(nèi)應力依賴于它們。然而，由于熱退火引起的力學性能變化并不完全取決于HfO2薄膜，特別是幾納米厚度的變化。 在這篇文章中，10納米厚的氧化鉿薄膜的機械性能取決于耐磨性和壓痕硬度。熱退火的耐磨性和壓痕硬度的變化分別從納米劃痕測試和表面納米壓痕獲得。劃痕的深度用原子力顯微鏡（AFM）測量，其被用作評價薄膜的耐磨性和硬度的指標[8-10]。通過表面納米壓痕確認納米劃痕測試的結(jié)果。此外，熱退火引起結(jié)構(gòu)特征的改變是通過X射線光電子能譜（XPS）來確定它們的原因。 2、 實驗 2.1樣品制備和特征 在以前的研究中，10 nm厚的HfO2薄膜是用原子層沉積（ALD）方法沉積在8英寸（20.32厘米）（100）p-型硅晶片上[11]。由于在進行ALD沉積之前沒有清洗，二氧化鉿（HfO2）層和Si基片層之間將會形成的氧化物（SiO2）。底層的SiO2層對HfO2薄膜的熱穩(wěn)定性沒有明顯的影響[12]。在Ar保護下，退火爐溫度為450℃?750℃，在退火爐中退火10分鐘。 通過透射型電子顯微鏡（FE-TEM，JEM-2100號，日本電子，美國）對膜的厚度，原沉積和退火HfO2薄膜的橫截面進行了評價。高亮度肖特基場發(fā)射電子槍產(chǎn)生的FE-TEM的探針的小于0.2 nm。超高點至點FE-TEM分辨率為0.19納米。通過雙束聚焦離子束（DB-FIB）技術(shù)獲得高200千伏分辨率的FE-TEM圖像。最初的氧化鉿薄膜樣品切成1.0厘米的區(qū)域。通過DB-FIB進行10 pA至5 nA的拋光，直到通過FE-TEM測量樣品的厚度達到大約為100 nm。 采用XPS（VG ESCA，Scientific Theta Probe，UK）技術(shù)確定HfO2薄膜詳細的化學結(jié)構(gòu)的。單色和Al的Kα（1486.6 eV）的X射線源用于探測化學和結(jié)構(gòu)的組合物。該系統(tǒng)配備了的電子分析儀其起飛角為53°。膜表面通過Ar離子在3000 eV和1μA的濺射進行化學元素Si，O，鉿，和C的剖析。XPS經(jīng)過能量為50 eV，步長為0.05 eV進行測量。 2.2機械性能的特征 通過商業(yè)AFM（尺寸3100 Nanoman，Veeco公司）的執(zhí)行環(huán)境條件下進行納米劃痕實驗。選擇金剛石涂層的高耐磨損性的硅探針在HfO2薄膜表面形成反復劃痕（納米傳感器DT-NCHR），目的是在劃痕之后保持恒定的頂端形狀。探頭有10微米高的的三角錐型尖端和100納米的曲率半徑尖端，如圖1（a）。探針的彈簧常數(shù)為42 N / m，諧振頻率為330千赫。大約40μN正常力產(chǎn)生3微米長的劃痕，z方向如圖1（b）所示，劃痕速度為1000nm/s。劃痕方向如圖1（b）的x方向，垂直于所述懸臂長度方向（y方向）。需要注意的是退火后的氧化鉿薄膜的晶體結(jié)構(gòu)具有各向異性（X射線衍射獲得的數(shù)據(jù)沒有列出來）。因此，劃痕的性能是所有方向的總體表現(xiàn)。在這項研究中，劃痕的方向是隨機選擇的。薄膜劃痕的探測是通過Ultrasharp硅探針（NSC15/50，硅MDT，俄羅斯有限公司）輕輕敲擊，以防止對凹劃痕產(chǎn)生額外的損害。硅刻蝕探針的針尖是NSC 15/50的圓錐形狀和一個半徑為大約10納米，彈簧常數(shù)為45 N / m和諧振頻率為350千赫的針尖。劃痕的平均深度超過3μm的18橫截面劃痕（AB，如圖1）。 通過動態(tài)的的接觸系統(tǒng)（納米壓痕G200，安捷倫技術(shù)，美國）形成納米壓痕和計算水平接觸表面的氧化鉿薄膜的硬度[13]。在實驗過程中，z軸位移的靈敏度與從負荷-位移曲線的噪聲寬度有關(guān)系。薄膜表面通過半徑約20 nm的Berkovich金剛石的三角錐形尖端產(chǎn)生劃痕。通過三角錐形的金剛石尖端確定AFM劃痕硬度，并與得到的納米壓痕進行比較。HfO2薄膜測試表面的泊松比為0.35。加載過程中漂移率低于0.05nm/s和恒應變速率約0.005 nm/s。 3. 實驗結(jié)果與討論 3.1 AFM的納米劃痕深度 沉積和550℃退火后的氧化鉿膜的FE-TEM橫截面圖像如圖2，如FE-TEM圖像所示為二氧化鉿（HfO2）層的沉積樣品，主要是嵌入在結(jié)構(gòu)中的非晶態(tài)納米晶體。圖2（b）中可以清楚地觀察到550℃退火樣品結(jié)晶鉿層。對于如此沉積的樣品，氧化鉿層的厚度約10.1 nm和界面層的SiO2厚度約0.9 nm。對于550℃退火的樣品，二氧化鉿（HfO2）層的厚度為約0.9 nm，這可能是由于厚度沉積均勻性不一致和FE-TEM橫截面圖像邊緣測定所造成的。 圖3表明了550℃和750℃退火HfO2薄膜的典型沉積和相應的橫截面圖片的納米劃痕。觀察沿突起兩側(cè)的劃痕。非對稱的V形錐體的AFM針尖的橫截面輪廓形狀如圖1（a），由于非對稱V形錐體的AFM的針尖劃傷薄膜表面，會在凹劃痕集中區(qū)域產(chǎn)生非對稱突起，劃痕右側(cè)的突起高度遠小于左側(cè)。據(jù)此前報道[14-16]，在劃傷過程中，磨損碎屑沉積物和塑性變形往往積聚在劃痕的兩側(cè)，在凹劃痕周圍形成凸部，。此外，由于薄膜劃痕硬度降低，劃痕深度增加，凸部高度也增加。 根據(jù)Tseng[10,16,17]和Kassavetis等人[18]，通過AFM針尖劃傷產(chǎn)生的突起高度可以作為劃痕深度。 納米劃痕實驗測量的劃痕深度用來評價力學性能[10,18,19]。劃痕深度定義為劃痕底部到未刮開表面的距離，如圖3。獲得劃痕深度為5.46 nm到12.51nm。在沉積膜中，探頭正常力為6μN時產(chǎn)生的劃痕深度12.51nm。針尖通過氧化鉿和SiO2層滲透Si底板。在550℃下，根據(jù)FE-TEM橫截面圖像，劃痕深度為8.28nm，這是底部的二氧化鉿（HfO2）層到界面附近的距離決定的，如圖2。對于750℃的退火薄膜，深度為5.46，大約是到氧化鉿層的一半。劃痕深度隨退火溫度的增加而下降，表明退火后薄膜硬度隨退火溫度的增加而增加。結(jié)果表明，氧化鉿薄膜的耐磨性隨退火溫度的增加而增加。 3.2納米壓痕硬度 退火引起的HfO2薄膜硬度變化是由金剛石錐體探針使用連續(xù)硬度測量（CSM）的方法[13,20]測量的納米壓痕進行評價。在納米壓痕的過程中，隨著壓痕載荷的增加驅(qū)動壓頭向樣品移動。所施加的壓頭位移，作為函數(shù)連續(xù)記錄一個完整循環(huán)的加載和卸載。沉積和氧化鉿薄膜在550℃和750℃下的典型負載循環(huán)如圖4（a）和基于CSM方法得到的硬度如圖4（b）。HfO2薄膜的退火硬度大于原沉積的膜，并隨退火溫度的增加而增加。這一觀察結(jié)果證實了納米劃痕實驗得到的測量結(jié)果。由于硬度隨退火溫度的增加而增加，退火后的氧化鉿薄膜難以劃傷，樣品在較高的退火溫度下得到較低的劃痕深度。 簡諧接觸硬度也可以從加載的壓痕試驗和確定相同相和相的部分反應結(jié)果獲得[20-22]。于圖部分。如圖4（b），根據(jù)各個相的反應結(jié)果推測壓痕深度，諧波接觸剛度沿各表面等效壓痕深度測量。在第一個大約3nm的壓痕中，接觸硬度很大程度上受納米壓痕前端與最外層的超薄HfO2薄膜充分接觸的影響[22]。因此，根據(jù)線性擬合，沿均勻性薄膜的滲透硬度得到的位移的范圍為3至10 nm和10為20 nm。這表明，HfO2薄膜的結(jié)構(gòu)在深度方向上有多層或梯度（非均勻）[20]。第一個10nm區(qū)域的曲線特征為諧波與硬度的聯(lián)系，該區(qū)域包括HfO2的層以及薄的SiO2層。在壓頭到達Si基板的諧波接觸的剩余部分硬度可以用一條直線來表示。然而，根據(jù)梯度結(jié)構(gòu)膜（后面的XPS分析將會顯示）和基板可以看出HfO2，SiO2和Si的測量壓痕接口之間沒有明確的分離點。 3.3通過XPS分析HfO2薄膜的化學成分 簡諧接觸硬度表面HfO2薄膜的ALD均勻性隨深度變化。要檢查退火引起的結(jié)構(gòu)變化，通過X射線光電子能譜深度對HfO2薄膜進行化學分析。 圖5表明通過HfO2退火薄膜（750℃）的HF、O和硅元素的濃度評估XPS中Ar離子濺射時間。應當指出的是，濺射過程會產(chǎn)生物理和化學反應，從而改變?yōu)R射前HfO2的組成。如先前所報道[23-25]，在HfO2薄膜的HF，HfOx，HfO2的混合物內(nèi)形成高能Ar離子。此外，在high-k薄膜中優(yōu)先濺射會導致HF，O和硅元素濺射速率的變化[23,26]。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，鉿會導致表面分離和屏蔽濺射過程中的硅原子，從而降低濺射率。這可能會大大降低Hfrich薄膜在Si基板上的濺射速率[26]。high-k薄膜的元素組成也可以受到影響。例如，Hf濃度隨著濺射時間增加會導致HfO2層的氧的優(yōu)先濺射[23]。 從表面的頂部的第一個300秒的濺射時間內(nèi)，相對應HF和O的原子百分比，在該地區(qū)硅是不存在的，如圖5。這表明的氧化鉿是該層的主要成分。濺射后，在O和HF濃度隨濺射時間的增加而減少，而Si濃度增加（在660 s超過70％）。當Ar離子濺射離開這層時，Hf較長的衰減會導致進入基板時的優(yōu)先濺射[26]。然而，它也表明，Hfsixoy 結(jié)構(gòu)[5,27-29]形成的濺射時間為300秒。通過在無離子濺射過程中使用的角分辨XPS已觀察到Hfsixoy 的界面結(jié)構(gòu)[29,30]。圖5表明HfO2和SiO2層之間廣泛的界面層形成具有復雜結(jié)構(gòu)的Hfsixoy 。[5,7,11,27–29] 因此，組成HfO2薄膜的層狀結(jié)構(gòu)[11,29]為HfO2、Hfsixoy 、SiO 2層和從頂部向底部的Si基板。Hfsixoy 層的厚度隨著退火溫度的增加而增加，這是因為退火過程中會產(chǎn)生Hf硅酸鹽[7,11]。諧波接觸剛度型材的層狀結(jié)構(gòu)和擴大的Hfsixoy 層中也觀察到納米壓痕測量曲線。 4、 結(jié)論 在標準厚度為10nm，相應的兩個退火溫度下，用原子力顯微鏡（AFM）和垂直敏感納米壓痕分別測試超薄氧化鉿薄膜的耐磨損性和壓痕硬度。實驗結(jié)果表明，在退火過程中形成鉿結(jié)晶相和復雜的Hfsixoy化合物 ，這是由于熱擴散在界面處形成HfO2/SiO2。因此，HfO2薄膜的納米壓痕硬度隨著的Hfsixoy 層的增加而增加，隨著退火溫度的增加而增加，這是由于Hfsixoy的硬度比鉿大。因此，退火HfO2薄膜納米劃痕深度隨退火溫度增加而降低，表面硬度（由AFM測量）和納米硬度（由納米壓痕測量）隨退火溫度增加而增加。 參考文獻： [1] International technology roadmap for semiconduc tors, 2009 edition, http://www.itrs.net/Links/20 09ITRS/Home2009. 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