微纳机电系统(Micro/Nano-electro-mechanical Systems,MEMS/NEMS)在基础科学和工程领域中都有着广泛应用。硅是MEMS/NEMS中的基础材料,硅基微纳结构的可靠性直接制约其量产和市场化,更对设备和人员安全有重要意义。随着硅基MEMS/NEMS功能的扩展及微纳结构的复杂化,其可靠性问题日益凸显。本文以硅微纳结构的强度、塑脆性、疲劳等与失效模式紧密相关的力学特性为切入点,以体硅、硅薄膜、无定形硅、硅纳米线等结构为对象,研究了常见晶体缺陷和一种具有代表性的电活性杂质磷对硅微纳结构机械性能的影响,以此深入探讨其可靠性问题。主要研究工具是分子动力学(Molecular Dynamics,MD),辅以第一性原理计算、解析推导和实验。具体研究内容如下:1.势函数优化力场是MD的基础,力场模型的适用性决定了模拟结果的可信度,本文选用第二近邻修正嵌入式原子势函数(Second-nearest-neighbor Modified Embedded Atom Method,2NN MEAM),用遗传算法(Genetic Algorithm,GA)优化了纯硅、纯磷和硅磷二元系的2NN MEAM势函数。纯硅体系的2NN MEAM势函数优化目标主要是表面和层错。而纯磷和硅磷二元系的2NN MEAM势函数的优化参考了较为广泛的物理性质,纯磷体系包括常见相的内聚能和晶格常数及体弹性模量B和一阶压力导数B’,硅磷二元系包括典型结构的内聚能及其晶格常数、弹性常数、点缺陷和磷-空位结构的基本性质。除了满足重要物性参数的预测精度,还测试了磷各相和掺磷硅结构在典型温度和压强环境中的热稳定性,验证了几组势函数的适用性。2.杂质磷对晶体硅和无定型硅拉伸特性的影响磷对晶体硅和无定形硅的机械特性存在影响。本文用MD研究了这两种结构的拉伸特性受杂质磷影响的机制,发现杂质磷会降低体硅结构的断裂应力和刚度,却能够有效阻止裂纹的萌生和扩展,进而增加实际硅晶体结构的强度。杂质磷的这一效应与其在体硅中所发挥的作用相比占据主导。这一结论同样适用于疲劳过程,即杂质磷可有效阻止疲劳损伤累积后所生成的裂纹的扩展。对于无定形硅,磷能使其刚度、屈服强度以及浮应力都显著升高,还使无定形硅薄膜的延展性大幅提升。由此得到制备工艺上的启示:若从机械寿命的角度来考虑,为了增强晶体硅微结构的机械强度,可利用现有工艺(如热扩散、离子注入等)提高硅基结构表面的杂质磷浓度;也可在无定形硅制作过程中加入掺磷工艺,提高其强度和延展性。3.替位杂质磷对常见生长晶向的硅纳米线拉伸特性的影响系统研究了表面缺陷、生长晶向、尺寸、杂质等因素对硅纳米线拉伸特性的影响机制,发现如下现象:(1)完整硅纳米线的拉伸强度随掺磷浓度的升高而降低。尽管磷能降低完整纳米线的拉伸强度,但工程实际中,纳米线含表面缺陷,缺陷附近的杂质磷能阻止缺陷开裂和扩展,因而可增强其强度。(2)完整的2nm和3nm[1 1 0]硅纳米线受拉呈塑性,而含表面缺陷时转变为脆性。由于应力集中,裂纹更容易成核并沿着解理面扩展。(3)完整的2nm和3nm[1 1 0]硅纳米线在掺磷后出现了新的失效模式,尽管大部分呈塑性,但部分样本发生脆断,而部分较高浓度的3nm样本出现了局部无定型化导致的失效。4.典型晶体缺陷和杂质磷对拖动面内的60°全位错运动特性的影响全面探讨了晶体缺陷对硅中拖动型60°全位错运动特性的影响,发现Sp-<1 10>自间隙缺陷、替位磷、Hexagonal间隙磷杂质和PV节均能够阻滞甚至钉扎位错的滑移。内在机理是:缺陷提供的悬挂键与位错尖端原子的悬挂键相结合。孪晶和层错能够阻止位错穿过孪晶和层错界面,即使位错驱动力方向沿最容易扩展的拖动面。模型受压或受拉(垂直于位错所在的拖动面)时,位错的滑移速率降低,且拉应力比压应力的效果更明显。对已有的真空和常温或低温环境中的硅疲劳机理作了修正,认为位错的活动是其疲劳失效的必要条件,晶体缺陷和杂质使位错的活动复杂且缓慢,需高周次作用才能达到最终的失效。5.磷对硅晶结构和无定形薄膜机械性能影响的实验验证设计了一种新颖的多梁测试结构和配套的片外弯曲测试系统,经大量测试发现,杂质磷能有效提高硅微梁的弯曲强度和疲劳寿命。用化学气相沉积工艺制作了两种掺磷浓度的无定形硅薄膜,通过纳米压痕测试发现,杂质磷能够提高其刚度和强度。通过以上研究,基本探明了本征缺陷和杂质磷对体硅、无定形硅、硅纳米线等典型硅基机械结构的断裂、疲劳等失效行为的影响,为相关产品的可靠性设计和失效机理解释提供了理论支持。