多孔硅薄膜的制备工艺与微观结构分析

论文摘要

自从19世纪90年代以来,微电子机械系统（MEMS）得到了迅速的发展。现在,MEMS已经成为信息领域最有前途的研究热点之一。可以认为,MEMS技术和微电子技术一样,将会给人类带来巨大的影响,甚至会引发一场新的产业革命。与此同时,多孔硅薄膜优良的机械性能和热学性能逐渐为人们所关注,成为MEMS技术中新兴的绝热层材料和牺牲层材料之一。然而,多孔硅的制备方法和制备参数与其微观结构参数之间的关系,一直是多孔硅薄膜制备工艺中亟待需要探索和解决的问题。本文针对多孔硅薄膜材料的制备和微观参数方面的基本性质以及在MEMS中作为绝热层的应用进行了研究,完成的工作主要有:1、采用双槽电化学阳极腐蚀的方法,在p型重掺杂单晶硅片（晶向为100）基体上制备了多孔硅薄膜。将SiO2和Cr作为多制备孔硅薄膜的掩蔽层;通过改变不同的制备参数（HF浓度、腐蚀电流密度和腐蚀时间）得到不同微观结构的多孔硅薄膜;使用拉曼激光观测仪对多孔硅薄膜的拉曼谱峰位置,进行了观测。2、使用电子天枰测定多孔硅薄膜相关的质量;通过质量差值法计算得到了多孔硅的孔隙率;使用场发射扫描电镜（SEM）和原子力扫描电镜（AFM）对多孔硅的孔径断面和微观裂纹进行了观察,得到孔径尺寸范围为15-35 nm左右;使用纳米探针测量仪对多孔硅的厚度进行了测量,得到多孔硅薄膜厚度范围在40-140μm之间。3、结合多孔硅薄膜的微观观测图,综合分析了HF浓度、腐蚀时间和腐蚀电流密度对多孔硅厚度、孔径大小及孔隙率的影响。得出结论为:HF浓度的增大会使多孔硅的孔径和孔隙率减小;腐蚀电流密度的增大会使多孔硅的孔径、孔隙率以及厚度增大;腐蚀时间的增加,会使多孔硅的厚度呈现先上升后趋于平稳的现象。多孔硅的孔隙率也随腐蚀时间的延长有先增加后降低的趋势。研究了真空中保存的多孔硅薄膜产生的裂纹,得出裂纹是由其内部的毛细应力产生的。结合拉曼谱峰位置图对产生的内应力进行了计算。4、对于多孔硅薄膜的热学性能,使用FLUENT仿真分析软件,对不同制备参数得到的多孔硅薄膜的热学性能,进行了相关的模拟。将多孔硅薄膜与其他材料的热学性能进行了比较。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.I MEMS概述
• 1.1.1 MEMS的组成
• 1.1.2 MEMS的定义和主要特点
• 1.1.3 MEMS的制造技术
• 1.1.4 MEMS的历史回顾与发展趋势
• 1.2 MEMS发展中亟待解决的问题
• 1.3 多孔硅薄膜的特性及其在MEMS中应用的优势
• 1.4 论文的研究意义
• 1.5 论文研究目标及拟开展的工作
• 1.6 本章小结
• 第2章 多孔硅薄膜材料及其应用
• 2.1 多孔硅薄膜材料的概述
• 2.1.1 多孔硅薄膜的起源和特点
• 2.1.2 多孔硅薄膜的应用
• 2.2 多孔硅薄膜的制备技术
• 2.2.1 多孔硅薄膜的制备技术与体微机械、表面微机械加工技术的比较
• 2.2.2 多孔硅薄膜制备技术中掩膜材料的选取问题
• 2.3 本章小结
• 第3章 多孔硅薄膜的制备技术
• 3.1 多孔硅薄膜制备技术的研究
• 3.1.1 多孔硅薄膜制备技术的研究水平
• 3.1.2 多孔硅薄膜的形成机理
• 3.1.3 多孔硅薄膜形成的理论模型
• 3.2 化学腐蚀法制备多孔硅薄膜的原理
• 3.2.1 实验结果和分析
• 3.3 单槽电化学腐蚀法制备多孔硅薄膜
• 3.4 双槽电化学法制备多孔硅薄膜
• 3.4.1 实验方法和实验装置
• 3.5 原电池法
• 3.5.1 实验方法和装置
• 3.6 本章小结
• 第4章 多孔硅薄膜微观结构的研究
• 4.1 多孔硅薄膜的表面形貌研究
• 4.1.1 实验结果测试图
• 4.1.2 多孔硅薄膜表面形貌分析
• 4.2 多孔硅薄膜孔隙率的研究
• 4.2.1 孔隙率的测量方法
• 4.2.2 实验结果分析
• 4.3 多孔硅薄膜厚度的研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 多孔硅薄膜热学与力学性能的研究
• 5.1 多孔硅薄膜作为MEMS绝热层的实用举例
• 5.2 多孔硅薄膜热学性能的研究
• 5.2.1 多孔硅薄膜热学性能研究的理论依据
• 5.3 多孔硅薄膜的热学性能仿真研究
• 5.3.1 FLUENT软件的相关介绍
• 5.3.2 多孔硅薄膜与其他材料导热性能的对比仿真研究
• 5.4 多孔硅薄膜作为结构层的实用举例
• 5.5 多孔硅薄膜力学性能的研究
• 5.5.1 多孔硅薄膜的龟裂现象
• 5.5.2 多孔硅薄膜力学性能研究的理论依据
• 5.5 多孔硅薄膜力学性能的实验研究
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 研究总结
• 6.2 未来的研究方向
• 参考文献
• 作者简历