微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)中介孔硅材料的熱學(xué)、力學(xué)及電學(xué)特性研究.pdf

1、多孔硅（PS）具有大的體積表面比、高效率的發(fā)光特性，良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及與傳統(tǒng)IC工藝的兼容性，使其在SOI技術(shù)，微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)以及微傳感器技術(shù)等眾多方面得到極大重視。近年來(lái)，隨著MEMS技術(shù)的迅猛發(fā)展，作為一種新興的犧牲層和絕熱層材料，多孔硅以其優(yōu)良的力學(xué)性能和絕熱性能在制造化學(xué)微傳感器、熱微傳感器、光電子器件以及太陽(yáng)能電池等MEMS領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。介孔硅（Meso-PS）作為多孔硅技術(shù)的一個(gè)分支，因其具有適中的

2、孔徑尺寸、孔隙率，良好的絕熱特性、機(jī)械性能等特點(diǎn)在上述MEMS領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。 本論文采用雙槽電化學(xué)腐蝕法制備介孔硅，主要針對(duì)MEMS中介孔硅材料的熱學(xué)、力學(xué)和電學(xué)基本性質(zhì)以及金屬薄膜和半導(dǎo)體薄膜微溫度傳感器中基于介孔硅功能絕熱層的絕熱特性進(jìn)行分析和研究。 采用準(zhǔn)確便捷且對(duì)樣品無(wú)損傷的微拉曼光譜技術(shù)測(cè)量介孔硅的熱導(dǎo)率，研究了實(shí)驗(yàn)條件及氧化后處理對(duì)其熱導(dǎo)率的影響，并對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析研究，得出介孔硅熱導(dǎo)率隨孔隙

3、率及氧化后處理的變化規(guī)律。探討了介孔硅的傳熱機(jī)理，基于有效介質(zhì)理論，提出用于分析所制備介孔硅和氧化介孔硅熱導(dǎo)率的理論模型，對(duì)影響所制備介孔硅和氧化介孔硅有效熱導(dǎo)率的因素進(jìn)行了理論分析，得出用于計(jì)算所制備介孔硅和氧化介孔硅有效熱導(dǎo)率的理論計(jì)算公式，揭示了介孔硅層熱導(dǎo)率與硅基底熱導(dǎo)率間的巨大差異。研究分析表明理論計(jì)算與所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相一致，為今后利用介孔硅材料制作絕熱層打下了良好的理論基礎(chǔ)。 由于介孔硅薄膜材料的尺度較小，傳統(tǒng)的材

4、料力學(xué)測(cè)試方法難以對(duì)其機(jī)械力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。納米壓痕技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、可以在很小的局部范圍測(cè)試材料的力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，在材料的微觀(guān)力學(xué)性能研究方面得到了廣泛的應(yīng)用，逐漸成為微機(jī)械材料力學(xué)性能測(cè)量中應(yīng)用最廣的一種方法。通過(guò)納米壓痕技術(shù)研究了所制備介孔硅和氧化介孔硅的硬度和楊氏彈性模量隨納米壓入深度的變化規(guī)律，比較了經(jīng)不同溫度處理的氧化介孔硅的力學(xué)性能差異。研究分析表明，所制備介孔硅的硬度和楊氏彈性模量隨其孔隙率的增加而減小，經(jīng)過(guò)

5、不同溫度的氧化后處理，氧化作用形成的二氧化硅包覆層可以明顯提高其微觀(guān)力學(xué)性能。 在對(duì)介孔硅材料的熱學(xué)和微機(jī)械力學(xué)性能的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了所制備介孔硅及氧化介孔硅的電學(xué)性能。以金屬半導(dǎo)體接觸原理為基礎(chǔ)，對(duì)鉑金屬薄膜與介孔硅所組成的金屬-所制備介孔硅或氧化介孔硅-單晶硅微結(jié)構(gòu)的縱向和橫向接觸特性進(jìn)行分析和研究，得出其Ⅰ-Ⅴ特性隨制備條件及氧化后處理的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，介孔硅層具有良好的電絕緣特性，介孔硅基微器件可以形成穩(wěn)定的

6、電接觸?；诮榭坠璧奈⒔Y(jié)構(gòu)的Ⅰ-Ⅴ特性主要由介孔硅層的電學(xué)特性所決定，表現(xiàn)出非整流的接觸特性。 基于介孔硅優(yōu)良的絕熱特性、良好的機(jī)械穩(wěn)定性和電絕緣特性，對(duì)其在熱微傳感器中作為功能絕熱層的應(yīng)用作了進(jìn)一步的研究。以具有正電阻溫度系數(shù)（PTC）的銅金屬薄膜和具有負(fù)電阻溫度系數(shù)（NTC）的氧化釩薄膜為熱敏元件對(duì)介孔硅功能結(jié)構(gòu)層的絕熱特性進(jìn)行分析，并對(duì)相應(yīng)熱敏元件的電阻溫度特性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，基于介孔硅優(yōu)良的絕熱特性，熱敏薄膜表