多孔硅力學性能的光力學方法與數(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體材料，在MEMS工藝中具有廣闊的應用前景，其力學性能的研究具有非常重要的意義。由于在微觀領域材料性能出現(xiàn)尺寸效應，表現(xiàn)出與宏觀材料巨大的性能差異，同時很多傳統(tǒng)的測試方法和裝置已經不再適用，建立新的數(shù)據(jù)模型和開發(fā)新的測試技術成為當務之急。本課題從數(shù)值模擬和實驗觀測兩方面對多孔硅薄膜的彈性模量和殘余應力進行了全面的探索與研究。 力學性能與材料的原子和電子結構有直接的關系，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，本文把原子級模擬技術和傳統(tǒng)的有限元方法相結合，提出了一種基于原子勢的連續(xù)介質方法，推導了多孔硅薄膜胞壁固體相的本構關系，建立了以孔洞為夾雜而納米硅胞壁為基體的本構模型。把宏觀、細觀和納觀三層嵌套模型有機結合起來，對多孔硅材料的宏觀等效彈性性質進行了有限元數(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)，理論模擬結果與已有的實驗數(shù)據(jù)符合良好。 本文率先把鼓泡法應用

3、于多孔硅薄膜力學性能的測量中。根據(jù)鼓泡法的基本原理，自行設計研制了測量多孔硅薄膜力學性能的實驗裝置，利用自行研制的實驗裝置對所制備的多孔硅薄膜/硅基底復合體試樣進行了測量，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)理論預測值相吻合。 本文通過基片曲率法設計和制作了一種測量薄膜殘余應力的裝置，它具有全場性、非接觸性、高分辨率、無破壞、數(shù)據(jù)獲取速度快等特點。使用該裝置測量了電化學腐蝕法制作的多孔硅薄膜的殘余應力，并研究

4、了孔隙率和基底摻雜濃度對殘余應力的影響，結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力逐漸加大，由此表明多孔硅薄膜的微觀結構與殘余應力的大小有著密切的聯(lián)系。 根據(jù)改進的TFD理論和彈性力學模型，本文首次從界面電子密度理論的角度分析和計算了多孔硅薄膜殘余應力。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PS薄膜內應力的影響，并得到實驗驗證，從而初步證明了襯底與