Einfluss der Oberflächenrauheit auf den gemessenen Eindringmodul und die Eindringhärte von Oberflächen aus kristallinem Silizium

Kürzlich wurde bei Nanoindentationsmessungen festgestellt, dass bereits kleine Oberflächen-rauheiten von Siliziumproben in der Größenordnung von Sa = 5 nm zu großen Abweichungen des gemessenen Eindringmoduls und der Eindringhärte von einigen zehn Prozent führen [1]. Ziel dieser Studie war es daher, den Einfluss der Oberflächenrauheit auf die mittels Nanoindentation gemessenen mechanischen Eigenschaften zu untersuchen. In Zusammenarbeit mit dem Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA) der Technischen Universität Braunschweig wurden mittels induktiv gekoppeltem reaktiven Ionenätzen (ICP-RIE) Proben unterschiedlicher Rauheit auf Siliziumsubstraten mit drei verschiedenen Kristallorientierungen (d. h. <100>, <110> und <111>) hergestellt. Unter Verwendung verschiedener Hochfrequenz (HF) - Leistungen und Vorspannungen wurden Oberflächen mit Rauheitswerten von Sa = 5 nm bis Sa = 55 nm hergestellt. Die Rauheit der ungeätzten und der geätzten Siliziumproben wurde unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskops (AFM) gemessen. Eindringmodul und Eindringhärte wurden für Kräfte bis 10 mN unter Verwendung eines kommerziell erhältlichen Nanoindentationsgerätes in der PTB gemessen.

Das erste Ergebnis der Studie ist, dass eine zunehmende Rauheit zu einem starken Unsicherheitsbeitrag der gemessenen nanomechanischen Eigenschaften führt. Weiterhin wurden Abweichungen des gemessenen Eindringmoduls von bis zu 30 % und der gemessenen Härte von bis zu 50 % beobachtet (siehe Abb. 1). Ein weiteres Ergebnis ist, dass die Orientierung der kristallinen Siliziumproben einen starken Einfluss auf die durch ICP-RIE-Ätzung erhaltene Rauheit hat. Die größte Rauheit wurde auf Si <100> -Proben und die niedrigste auf Si <111> -Proben gemessen. Eine mögliche Erklärung für die geringere Rauheit der geätzten <111> Proben ist die höhere Atomdichte der Oberflächen der Si <111> Proben.

In Zukunft sollen durch den Einsatz eines Hochlastkopfes des Nanoindenters noch größere Eindringkräfte bis 2 N untersucht werden, um die These zu bestätigen, dass bei größeren Eindringtiefen der Rauheitseinfluss abnimmt.

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Abb. 1. Abhängigkeit gemessener nanomechanischer Werte von der Oberflächenrauheit (Sa) geätzter Siliziumproben. Eindringmodul Ee (a) und Eindringhärte He (b) der geätzten Proben wurden auf die Werte der ungeätzten Proben normiert (d. h. Eu bzw. Hu).

Literatur [1] Prabowo Puranto, Gerry Hamdana, Frank Pohlenz, Jannick Langfahl-Klabes, Lars Daul, Zhi Li, Hutomo Suryo Wasisto, Erwin Peiner and Uwe Brand: Indentation modulus and hardness investigation of crystalline silicon surfaces treated by inductively coupled plasma reactive ion etching. Proc. 29th Micromechanics and Microsystems Europe workshop (MME), Bratislava, 26-29th August 2018