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微电子机械系统（MEMS）中介孔硅材料的热学、力学及电学特性研究

作　者: 房振乾
导　师: 胡明
学　校: 天津大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 微电子机械系统介孔硅双槽电化学腐蚀法热导率硬度杨氏弹性模量 I-V特性热微传感器
分类号: TP211.2
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

多孔硅(PS)具有大的体积表面比、高效率的发光特性,良好的化学稳定性以及与传统IC工艺的兼容性,使其在SOI技术,微电子机械系统(MEMS)技术以及微传感器技术等众多方面得到极大重视。近年来,随着MEMS技术的迅猛发展,作为一种新兴的牺牲层和绝热层材料,多孔硅以其优良的力学性能和绝热性能在制造化学微传感器、热微传感器、光电子器件以及太阳能电池等MEMS领域中得到广泛的应用。介孔硅(Meso-PS)作为多孔硅技术的一个分支,因其具有适中的孔径尺寸、孔隙率,良好的绝热特性、机械性能等特点在上述MEMS领域应用最为广泛。本论文采用双槽电化学腐蚀法制备介孔硅,主要针对MEMS中介孔硅材料的热学、力学和电学基本性质以及金属薄膜和半导体薄膜微温度传感器中基于介孔硅功能绝热层的绝热特性进行分析和研究。采用准确便捷且对样品无损伤的微拉曼光谱技术测量介孔硅的热导率,研究了实验条件及氧化后处理对其热导率的影响,并对实验测量的结果进行对比分析研究,得出介孔硅热导率随孔隙率及氧化后处理的变化规律。探讨了介孔硅的传热机理,基于有效介质理论,提出用于分析所制备介孔硅和氧化介孔硅热导率的理论模型,对影响所制备介孔硅和氧化介孔硅有效热导率的因素进行了理论分析,得出用于计算所制备介孔硅和氧化介孔硅有效热导率的理论计算公式,揭示了介孔硅层热导率与硅基底热导率间的巨大差异。研究分析表明理论计算与所获得的实验数据相一致,为今后利用介孔硅材料制作绝热层打下了良好的理论基础。由于介孔硅薄膜材料的尺度较小,传统的材料力学测试方法难以对其机械力学参数进行测量。纳米压痕技术具有操作简单、测量精度高、可以在很小的局部范围测试材料的力学性能等优点,在材料的微观力学性能研究方面得到了广泛的应用,逐渐成为微机械材料力学性能测量中应用最广的一种方法。通过纳米压痕技术研究了所制备介孔硅和氧化介孔硅的硬度和杨氏弹性模量随纳米压入深度的变化规律,比较了经不同温度处理的氧化介孔硅的力学性能差异。研究分析表明,所制备介孔硅的硬度和杨氏弹性模量随其孔隙率的增加而减小,经过不同温度的氧化后处理,氧化作用形成的二氧化硅包覆层可以明显提高其微观力学性能。在对介孔硅材料的热学和微机械力学性能的研究基础上,进一步探讨了所制备介孔硅及氧化介孔硅的电学性能。以金属半导体接触原理为基础,对铂金属薄膜与介孔硅所组成的金属—所制备介孔硅或氧化介孔硅—单晶硅微结构的纵向和横向接触特性进行分析和研究,得出其I-V特性随制备条件及氧化后处理的变化规律。研究发现,介孔硅层具有良好的电绝缘特性,介孔硅基微器件可以形成稳定的电接触。基于介孔硅的微结构的I-V特性主要由介孔硅层的电学特性所决定,表现出非整流的接触特性。基于介孔硅优良的绝热特性、良好的机械稳定性和电绝缘特性,对其在热微传感器中作为功能绝热层的应用作了进一步的研究。以具有正电阻温度系数(PTC)的铜金属薄膜和具有负电阻温度系数(NTC)的氧化钒薄膜为热敏元件对介孔硅功能结构层的绝热特性进行分析,并对相应热敏元件的电阻温度特性进行了研究。研究结果表明,基于介孔硅优良的绝热特性,热敏薄膜表现出良好的电阻温度特性,较高的灵敏度,可以应用于更加广泛的热敏感材料制作基于介孔硅功能绝热层的热微传感器,从而扩展了介孔硅功能绝热层的应用范围。

全文目录

中文摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章微电子机械系统与热微传感器概述  11-26
  1.1 MEMS技术简介  11-19
    1.1.1 MEMS特点  12-13
    1.1.2 MEMS研究领域  13-15
    1.1.3 MEMS的研究水平及其发展趋势  15-17
    1.1.4 MEMS的技术应用领域  17-19
  1.2 MEMS微传感器  19-22
    1.2.1 MEMS传感器的特点、分类及其应用  20-22
    1.2.2 热微传感器  22
  1.3 本论文研究目的及开展的工作  22-26
第二章多孔硅技术及其应用研究  26-48
  2.1 多孔硅技术简介  26-27
  2.2 多孔硅的形成机制及其制备方法  27-37
    2.2.1 多孔硅的形成机理  27-32
    2.2.2 多孔硅的制备方法  32-37
  2.3 多孔硅的基本特性及其应用研究  37-48
    2.3.1 多孔硅牺牲层技术  37-39
    2.3.2 多孔硅绝热技术  39-40
    2.3.3 绝缘体上硅材料SOI技术  40-41
    2.3.4 多孔硅基微传感器技术  41-43
    2.3.5 多孔硅发光技术  43-45
    2.3.6 多孔硅场发射技术  45-48
第三章介孔硅有效热导率的研究  48-73
  3.1 微/纳米尺度传热学理论  48-52
    3.1.1 固体材料热传导的宏观规律  48-49
    3.1.2 固体材料热传导的微观机理  49-51
    3.1.3 微米/纳米介质中的热传导  51-52
  3.2 介孔硅热导率的测量方法  52-54
    3.2.1 3ω方法  52-53
    3.2.2 微温度传感器法  53
    3.2.3 光声法  53-54
    3.2.4 热反射率法  54
    3.2.5 微拉曼光谱法  54
  3.3 介孔硅热导率的微拉曼光谱测试原理  54-55
  3.4 介孔硅热导率的微拉曼光谱研究  55-60
    3.4.1 所制备介孔硅热导率的微拉曼光谱测量  57-58
    3.4.2 氧化介孔硅热导率的微拉曼光谱测量  58-60
  3.5 介孔硅有效热导率的理论模型研究  60-71
    3.5.1 所制备介孔硅有效热导率的理论模型研究  60-64
    3.5.2 氧化介孔硅有效热导率的理论模型研究  64-71
  3.6 本章小结  71-73
第四章介孔硅力学性能的纳米压入技术研究  73-89
  4.1 微/纳米力学测试技术简介  73-76
    4.1.1 纳米压入技术的发展  74-75
    4.1.2 纳米压入技术的特点  75-76
  4.2 纳米压入技术的测试原理  76-79
  4.3 介孔硅力学性能的纳米压入测试与研究  79-87
    4.3.1 所制备介孔硅样品的力学性能研究  80-84
    4.3.2 氧化介孔硅样品的力学性能研究  84-87
  4.4 本章小结  87-89
第五章介孔硅电学特性研究  89-110
  5.1 金属半导体接触原理  89-98
    5.1.1 金属与半导体的功函数  90-91
    5.1.2 金属和半导体的电接触类型  91-98
  5.2 基于介孔硅的微结构电流－电压(I-V)特性研究  98-109
    5.2.1 基于介孔硅的微结构纵向I-V 特性研究  99-105
    5.2.2 基于介孔硅的微结构横向I-V 特性研究  105-109
  5.3 本章小结  109-110
第六章热微传感器中介孔硅的绝热特性研究  110-119
  6.1 热微传感器的工作原理  110-112
    6.1.1 金属电阻温度传感器  110-111
    6.1.2 半导体热敏电阻  111-112
  6.2 热微传感器中介孔硅功能结构层的绝热特性研究  112-118
    6.2.1 介孔硅与硅的绝热性能  112-114
    6.2.2 不同微观结构介孔硅功能结构层的绝热性能  114-116
    6.2.3 介孔硅上薄膜电阻的温度特性研究  116-118
  6.3 本章小结  118-119
第七章总结  119-123
  7.1 全文结论  119-121
  7.2 本论文创新点  121-122
  7.3 今后展望  122-123
参考文献  123-134
发表论文和参加科研情况说明  134-136
  攻读博士学位期间发表论文情况  134-135
  参与的科研项目  135-136
致谢  136

微电子机械系统（MEMS）中介孔硅材料的热学、力学及电学特性研究

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