多孔硅力學(xué)性能的光力學(xué)方法與數(shù)值模擬研究.pdf

1、多孔硅薄膜是一種具有優(yōu)良力熱光電性能的納米半導(dǎo)體材料，在MEMS工藝中具有廣闊的應(yīng)用前景，其力學(xué)性能的研究具有非常重要的意義。由于在微觀領(lǐng)域材料性能出現(xiàn)尺寸效應(yīng)，表現(xiàn)出與宏觀材料巨大的性能差異，同時(shí)很多傳統(tǒng)的測(cè)試方法和裝置已經(jīng)不再適用，建立新的數(shù)據(jù)模型和開發(fā)新的測(cè)試技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急。本課題從數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)兩方面對(duì)多孔硅薄膜的彈性模量和殘余應(yīng)力進(jìn)行了全面的探索與研究。 力學(xué)性能與材料的原子和電子結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系，而不同孔隙率的

2、多孔硅薄膜的平衡晶格常數(shù)和平衡狀態(tài)下的普通單晶硅本體是不同的，本文把原子級(jí)模擬技術(shù)和傳統(tǒng)的有限元方法相結(jié)合，提出了一種基于原子勢(shì)的連續(xù)介質(zhì)方法，推導(dǎo)了多孔硅薄膜胞壁固體相的本構(gòu)關(guān)系，建立了以孔洞為夾雜而納米硅胞壁為基體的本構(gòu)模型。把宏觀、細(xì)觀和納觀三層嵌套模型有機(jī)結(jié)合起來，對(duì)多孔硅材料的宏觀等效彈性性質(zhì)進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，系統(tǒng)分析了不同孔隙率多孔硅薄膜的宏觀彈性常數(shù)，理論模擬結(jié)果與已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合良好。 本文率先把鼓泡法應(yīng)用

3、于多孔硅薄膜力學(xué)性能的測(cè)量中。根據(jù)鼓泡法的基本原理，自行設(shè)計(jì)研制了測(cè)量多孔硅薄膜力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)裝置，利用自行研制的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)所制備的多孔硅薄膜/硅基底復(fù)合體試樣進(jìn)行了測(cè)量，得到該試樣的多孔硅薄膜的彈性模量，所得彈性模量與前面章節(jié)理論預(yù)測(cè)值相吻合。 本文通過基片曲率法設(shè)計(jì)和制作了一種測(cè)量薄膜殘余應(yīng)力的裝置，它具有全場(chǎng)性、非接觸性、高分辨率、無破壞、數(shù)據(jù)獲取速度快等特點(diǎn)。使用該裝置測(cè)量了電化學(xué)腐蝕法制作的多孔硅薄膜的殘余應(yīng)力，并研究

4、了孔隙率和基底摻雜濃度對(duì)殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明隨著孔隙率的增加和硼離子摻雜濃度的提高，多孔硅表面的拉伸應(yīng)力逐漸加大，由此表明多孔硅薄膜的微觀結(jié)構(gòu)與殘余應(yīng)力的大小有著密切的聯(lián)系。 根據(jù)改進(jìn)的TFD理論和彈性力學(xué)模型，本文首次從界面電子密度理論的角度分析和計(jì)算了多孔硅薄膜殘余應(yīng)力。通過電子密度理論推算出多孔硅薄膜的表面電子密度，又從理論上分析了摻B的p型Si襯底的摻雜濃度對(duì)PS薄膜內(nèi)應(yīng)力的影響，并得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從而初步證明了襯底與