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

1、多孔硅（PS）具有大的體積表面比、高效率的發(fā)光特性，良好的化學穩(wěn)定性以及與傳統(tǒng)IC工藝的兼容性，使其在SOI技術，微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術以及微傳感器技術等眾多方面得到極大重視。近年來，隨著MEMS技術的迅猛發(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)良的力學性能和絕熱性能在制造化學微傳感器、熱微傳感器、光電子器件以及太陽能電池等MEMS領域中得到廣泛的應用。介孔硅（Meso-PS）作為多孔硅技術的一個分支，因其具有適中的

2、孔徑尺寸、孔隙率，良好的絕熱特性、機械性能等特點在上述MEMS領域應用最為廣泛。 本論文采用雙槽電化學腐蝕法制備介孔硅，主要針對MEMS中介孔硅材料的熱學、力學和電學基本性質以及金屬薄膜和半導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行分析和研究。 采用準確便捷且對樣品無損傷的微拉曼光譜技術測量介孔硅的熱導率，研究了實驗條件及氧化后處理對其熱導率的影響，并對實驗測量的結果進行對比分析研究，得出介孔硅熱導率隨孔隙

3、率及氧化后處理的變化規(guī)律。探討了介孔硅的傳熱機理，基于有效介質理論，提出用于分析所制備介孔硅和氧化介孔硅熱導率的理論模型，對影響所制備介孔硅和氧化介孔硅有效熱導率的因素進行了理論分析，得出用于計算所制備介孔硅和氧化介孔硅有效熱導率的理論計算公式，揭示了介孔硅層熱導率與硅基底熱導率間的巨大差異。研究分析表明理論計算與所獲得的實驗數(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。 由于介孔硅薄膜材料的尺度較小，傳統(tǒng)的材

4、料力學測試方法難以對其機械力學參數(shù)進行測量。納米壓痕技術具有操作簡單、測量精度高、可以在很小的局部范圍測試材料的力學性能等優(yōu)點，在材料的微觀力學性能研究方面得到了廣泛的應用，逐漸成為微機械材料力學性能測量中應用最廣的一種方法。通過納米壓痕技術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

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力學性能。 在對介孔硅材料的熱學和微機械力學性能的研究基礎上，進一步探討了所制備介孔硅及氧化介孔硅的電學性能。以金屬半導體接觸原理為基礎，對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-單晶硅微結構的縱向和橫向接觸特性進行分析和研究，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構的Ⅰ-Ⅴ特性主要由介孔硅層的電學特性所決定，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、良好的機械穩(wěn)定性和電絕緣特性，對其在熱微傳感器中作為功能絕熱層的應用作了進一步的研究。以具有正電阻溫度系數(shù)（PTC）的銅金屬薄膜和具有負電阻溫度系數(shù)（NTC）的氧化釩薄膜為熱敏元件對介孔硅功能結構層的絕熱特性進行分析，并對相應熱敏元件的電阻溫度特性進行了研究。研究結果表明，基于介孔硅優(yōu)良的絕熱特性，熱敏薄膜表