微量热计的研制及微纳米薄膜比热测试与分析

论文摘要

研究微尺度热特性既是热科学向纵深发展的必然,也是提高微纳器件性能的关键因素之一。本文研究微纳器件中薄膜的比热性质,内容包括研制用于薄膜热容测量的微型量热计、构建脉冲量热系统、以及薄膜比热的实验测定与分析。 微量热计的基本结构是带加热器和测温器的悬空膜片结构。本文通过三维有限元模拟对体硅加工型和表面微加工型膜片结构进行热分析,并进行了实验验证。结果表明,表面加工型结构在真空中绝热性能优良、样品区温度分布较均匀,同时,它机械强度高、与IC工艺兼容性好,比体硅加工结构更符合微量热计的需要。根据晶圆代工的工艺条件制定工艺流程,研制了用于微纳米薄膜热容测量的表面加工型微量热计,该微量热计在5.5mW加热功率下温升速率可达2×105K·s-1。同时还开发了样品薄膜定位淀积工艺。 以测量薄膜热容为目标,构建了脉冲量热系统,该系统由真空腔、脉冲加热电源和信号采集部分组成。根据微量热计的性能,合理简化了脉冲量热模型。微量热计空载热容的测量结果表明,微量热计自身热容小,相邻微量热计热容一致性较好,可以满足薄膜热容测量的需要。 测量了几种厚度的铝薄膜和铜薄膜在300～420K范围内的热容,表征了薄膜微观结构及尺寸并计算了样品的比热。1150nm的Al薄膜和340nm的Cu薄膜比热与相应体材料值基本吻合,但随着膜厚减小,薄膜比热表现出明显的微尺度效应。 采用分子动力学模拟计算了Al和Cu的单晶薄膜在300～500K温度范围的定容比热Cv和定压比热Cp。由于表面原子的声子软化,薄膜定容比热随厚度减小有小幅增加,但薄膜定压比热增量远大于定容比热增量,因此薄膜的增强比热可能主要来自于晶格的非线性振动（热膨胀）。分子动力学模拟与实验测量的结果一致表明,在一定厚度范围内纳米薄膜比热的尺度效应显著。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 微尺度热效应概述
• 1.2.1 材料热物性的微尺度效应
• 1.2.2 微尺度传热理论
• 1.3 比热理论
• 1.3.1 比热的基本概念
• 1.3.2 比热的基础理论
• 1.3.3 比热微尺度理论进展
• 1.4 微纳米薄膜材料的比热实验研究
• 1.4.1 比热的测量
• 1.4.2 微量热计研究进展
• 1.4.3 用于薄膜比热测量的微量热计研究热点
• 1.5 比热的分子动力学模拟
• 1.5.1 分子动力学简介
• 1.5.2 材料比热的分子动力学计算
• 1.6 本文的研究内容
• 2 微量热计的结构设计与热分析
• 2.1 微量热计的初步结构设计
• 2.1.1 微量热计的基本组成
• 2.1.2 材料的选择
• 2.1.3 微量热计的结构
• 2.1.4 微量热计的尺寸
• 2.2 微量热计的传热分析
• 2.2.1 有限元方法
• 2.2.2 模型
• 2.2.3 热功耗与温度场分布的有限元分析
• 2.2.4 实验验证
• 2.3 微量热计的结构改进与热分析
• 2.3.1 微量热计的结构改进
• 2.3.2 改进的微量热计的热分析
• 2.4 小结
• 3 微量热计的制造
• 3.1 微量热计的工艺流程
• 3.2 工艺中的部分关键技术
• 3.2.1 牺牲层技术
• 3.2.2 粘附问题
• 3.2.3 台阶平坦化
• 3.2.4 薄膜样品的定位淀积
• 3.2.5 芯片的切割与封装
• 3.3 微量热计器件检测
• 3.4 小结
• 4 测量薄膜热容的量热法
• 4.1 量热法概述
• 4.2 微量热计的热性能
• 4.2.1 阻温特性
• 4.2.2 稳态功耗
• 4.2.3 动态响应特性
• 4.3 脉冲量热法
• 4.3.1 脉冲量热法需要注意的问题
• 4.3.2 微量热计的脉冲量热模型
• 4.3.3 测量数据分析
• 4.3.4 量热脉冲的调节
• 4.4 微量热计热容的一致性
• 4.5 误差分析
• 4.6 小结
• 5 金属薄膜的比热测量
• 5.1 薄膜样品的表征
• 5.1.1 样品的体积
• 5.1.2 薄膜的密度
• 5.1.3 结晶结构分析
• 5.2 铝薄膜的热容测量与分析
• 5.2.1 铝薄膜的制备
• 5.2.2 铝薄膜的微结构
• 5.2.3 铝薄膜的比热
• 5.3 铜薄膜的热容测量与分析
• 5.3.1 铜薄膜的制备
• 5.3.2 铜薄膜的XRD分析
• 5.3.3 铜薄膜的比热
• 5.4 小结
• 6 纳米薄膜比热微尺度效应分析
• 6.1 分子动力学模拟
• 6.2 薄膜结构
• 6.3 物理参量的计算
• 6.3.1 声子态密度
• 6.3.2 定容比热
• 6.3.3 定压比热
• 6.4 结果与分析
• 6.4.1 薄膜的声子态密度
• 6.4.2 薄膜的定容比热
• 6.4.3 薄膜的定压比热
• 6.5 分析
• 6.6 小结
• 总结与展望
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书