论文题目: MEMS中多孔硅基本特性及绝热性能研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 微电子学与固体电子学
作者: 窦雁巍
导师: 胡明
关键词: 多孔硅,电化学腐蚀,孔隙率,热导率,绝热层
文献来源: 天津大学
发表年度: 2005
论文摘要: 1990年以来,多孔硅材料因为其出色的发光性能开始受到研究者的重视。近一段时期,随着微电子机械系统(MEMS)的发展,多孔硅优良的机械性能和热学性能也逐渐引起大家的关注,成为MEMS中新兴的牺牲层和绝热层材料。本论文主要针对多孔硅材料基本特性、应力状况及其在MEMS中作为绝热层应用进行了研究。本文分别采用双槽电化学腐蚀法、原电池腐蚀法制备了多孔硅样品,对多孔硅一些基本特性作了深入探讨,主要包括:孔隙率、腐蚀速率的影响因素;材料表面以及断面形貌的分析、孔径尺寸、孔壁厚度等。通过实验发现:多孔硅层孔洞分布均匀,孔径尺寸在15~50nm范围内,属于介孔硅;电化学腐蚀法制备多孔硅的腐蚀速率在腐蚀前期阶段基本是一定值,但到腐蚀后期阶段随着厚度的增加腐蚀速率有所下降;对于不同腐蚀电流密度,多孔硅孔隙率都有随腐蚀时间的延长先增加后降低的趋势。为了适应在大尺寸硅片上制备多孔硅的要求,对原电池法制备多孔硅进行了初步研究。主要讨论了背电极制备条件对多孔硅性能的影响,发现增加背电极的厚度对改善多孔硅的均匀性及减小其孔径尺寸有一定的作用,增加Pt电极与腐蚀面积的比值可以有效增大腐蚀厚度。采用显微拉曼光谱法对多孔硅残余应力进行了测量,结果表明:随多孔硅孔隙率上升其内部残余应力有增加趋势。同样通过微拉曼光谱法对多孔硅的热导率进行了测量,结果表明:多孔硅热导率随其孔隙率和厚度增大有明显下降的趋势,实验中最低热导率数值可达到0.624W/(m·K)。为对比多孔硅层与硅衬底二者间绝热效果的差别,将氧化钒薄膜热敏电阻以及铜、金薄膜电阻条分别沉积在多孔硅绝热层与硅衬底上,发现多孔硅良好的热绝缘性能使得在其上制作的氧化钒薄膜热敏电阻以及铜、金薄膜电阻条的灵敏度远高于在硅上制备的薄膜热敏电阻,且热敏电阻灵敏度随多孔硅孔隙率和厚度的增大而升高。
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中文摘要
ABSTRACT
第一章 微电子机械系统（MEMS）
1.1 MEMS 技术简介
1.2 MEMS 技术的起源和发展
1.2.1 初级阶段:半导体传感器的发展与 MEMS 技术的出现
1.2.2 中期阶段:微型传感器的出现以及微执行器的发明
1.2.3 高级阶段:MEMS 系统的出现
1.3 MEMS 技术国内外发展状况
1.4 MEMS 的组成和基本特征
1.4.1 MEMS 的组成
1.4.2 MEMS 的基本特征
1.5 MEMS 生产工艺流程
1.6 MEMS 的理论基础及设计
1.7 MEMS 的分类
1.8 MEMS 的加工技术
1.8.1 体微机械加工技术
1.8.2 表面微机械加工技术
1.8.3 LIGA 技术和准LIGA 技术
1.8.4 晶片键合技术
1.8.5 其它技术
1.9 MEMS 微传感器和微执行器
1.9.1 力学传感器与执行器
1.9.2 光学传感器与执行器
1.9.3 热传感器与执行器
1.9.4 微流体器件
1.9.5 电磁传感器与执行器
1.9.6 化学和生物传感器与执行器
1.9.7 射频微机械器件
1.9.8 生物芯片
1.10 MEMS 封装技术
1.10.1 单片全集成MEMS 封装技术
1.10.2 多芯片组件封装技术
1.10.3 倒装芯片技术
1.10.4 准密封封装技术
1.10.5 模块式MEMS 封装技术
1.11 MEMS 热点应用
1.11.1 军民用加速度计
1.11.2 微惯性测量组合
1.11.3 海量数据存储
1.11.4 微光机电系统
1.11.5 智能微型机器人
1.11.6 分布式MEMS 应用
1.11.7 微型高能能源
1.11.8 航空、航天方面
1.11.9 医疗方面
1.12 MEMS 产业化进程中的挑战
1.13 本论文研究目的及开展的工作
第二章多孔硅概述
2.1 多孔硅简介
2.1.1 多孔硅的历史和分类
2.1.2 多孔硅的形成机理
2.1.3 多孔硅形成的理论模型
2.2 多孔硅制备方法
2.2.1 化学腐蚀法
2.2.2 电化学腐蚀法
2.2.3 溅射腐蚀和蒸汽腐蚀法
2.2.4 原电池法
2.2.5 其它制备方法
2.3 多孔硅的特性及其在MEMS 中应用的优势
2.3.1 多孔硅在MEMS 中作为牺牲层的应用优势
2.3.2 多孔硅在MEMS 中作为绝热层的应用优势
2.4 多孔硅在MEMS 中的应用
2.4.1 多孔硅结构多孔性的应用
2.4.2 多孔硅绝热性的应用
2.4.3 多孔硅的光电转换特性的应用
第三章实验过程
3.1 双槽电化学腐蚀法制备多孔硅
3.1.1 实验步骤
3.1.2 多孔硅表面与断面形貌观察
3.1.3 多孔硅残余应力及热导率的显微拉曼光谱测量
3.1.4 腐蚀剥离多孔硅层
3.1.5 多孔硅孔隙率和厚度的测量
3.2 原电池法制备多孔硅
3.2.1 原电池法制备多孔硅的实验原理及装置
3.2.2 原电池法制备多孔硅的实验步骤
3.3 本章小结
第四章多孔硅基本性质的研究
4.1 多孔硅孔隙率的研究
4.1.1 孔隙率测量原理
4.1.2 实验结果及分析
4.2 多孔硅表面和断面形貌分析
4.2.1 多孔硅的表面形貌分析
4.2.2 多孔硅样品的断面结构分析
4.3 多孔硅腐蚀深度和腐蚀速率的研究
4.4 原电池法制备多孔硅的实验研究
4.4.1 背电极的制作
4.4.2 腐蚀条件对多孔硅厚度的影响
4.4.3 表面形貌分析
4.5 本章小结
第五章多孔硅残余应力研究
5.1 多孔硅龟裂现象
5.2 显微拉曼光谱法测定多孔硅应力原理
5.2.1 拉曼散射
5.2.2 拉曼频移与应变
5.3 多孔硅残余应力的微拉曼光谱研究结果及分析
5.3.1 电化学腐蚀法多孔硅试样孔隙率与残余应力关系
5.3.2 电化学方法与化学方法制备多孔硅残余应力的比较
5.4 本章小结
第六章多孔硅热导率的微拉曼光谱测量
6.1 多孔硅的基本热学参数
6.1.1 热导率
6.1.2 特殊热容量
6.1.3 热扩散
6.2 多孔硅热导率的测量方法
6.2.1 温度传感器法
6.2.2 热波法
6.2.3 光声法
6.2.4 激光泵浦探测法
6.2.5 温度探针扫描电镜法
6.2.6 微拉曼光谱法
6.3 微拉曼光谱法测量多孔硅热导率原理
6.4 实验结果及分析
6.5 本章小结
第七章多孔硅绝热性能研究
7.1 多孔硅绝热性能研究
7.1.1 实验步骤
7.1.2 多孔硅绝热性能测试
7.1.3 实验结果及分析
7.2 本章小结
第八章结论
8.1 全文结论
8.2 论文主要创新点
8.3 今后工作展望
参考文献
发表论文和科研情况说明
致谢
发布时间: 2007-07-10
参考文献
- [1].多孔硅的光电性能研究[D]. 赵岳.浙江大学2005
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- [4].多孔硅热致超声发射的建模研究[D]. 王严冬.中国科学技术大学2015
- [5].高灵敏氧化钒非致冷红外探测器研究[D]. 王彬.华中科技大学2012
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