單晶硅微米壓痕過程的有限元分析（開題報告）
1 課題的目的及意義
1.1 研究目的及意義
近年來微壓痕、納米壓痕實驗被廣泛應用于測定各種固體材料的力學性質(zhì)。因為壓痕實驗可以從兩個方面反映材料的力學特性，其一為試驗過程中連續(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程中的演化特征以及卸載后殘留的壓痕形貌特征。通過載荷-壓痕位移曲線可以獲得材料的彈性模量、硬度、硬化指數(shù)以及屈服強度等;而通過對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、位錯形態(tài)演化以及確定壓痕變形機理等。另外壓痕實驗還可用于測定蠕變性能，殘余應力等，并且常被用來測定材料發(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體上薄膜的性質(zhì)。但是用傳統(tǒng)的實驗手段無法獲得黏附在機體上薄膜的性質(zhì)，因為塊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性能檢測的理想手段。該實驗技術(shù)不斷向微電子、集成微光機電系統(tǒng)、生物材料、醫(yī)療器材、微機械等領(lǐng)域延伸，已成為檢測材料微小區(qū)域力學性能的有效手段?？傊?，壓痕實驗作為一種簡單的、方便的、局部的、非破壞方法已經(jīng)得到了廣泛的應用。
一直以來, 單晶硅是電力電子、微機械、場致發(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，因為IC技術(shù)的發(fā)展離不開基礎(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)和信息社會的基礎(chǔ)。IC技術(shù)是推動國民經(jīng)濟和社會信息化發(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,集成度越來越高,元件的設(shè)計越來越復雜,其特征尺寸的數(shù)量級已超過微米量級而接近納米量級，而這就要涉及到超精密加工。材料的超精密加工機理研究對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，壓痕實驗能測定給偶中固體材料的材料特性，這對當代工業(yè)的發(fā)展極其重要，而微壓痕實驗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，單晶硅壓痕實驗研究對單晶硅超精密加工技術(shù)的發(fā)展乃至當代工業(yè)的發(fā)展非常重要。本課題的研究目的就是通過研究單晶硅表面的微壓痕過程，分析單晶硅的材料性能，如：彈性模量、硬度、硬化指數(shù)以及屈服強度等，對得出的數(shù)據(jù)進行分析比較，并對其可能產(chǎn)生的作用效果等進行預測，得以對提高集成電路的超精密加工技術(shù)起重要作用，從而推動國民經(jīng)濟和社會信息化發(fā)展。