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MEMS中多孔硅基本特性及绝热性能研究

窦雁巍  
【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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