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微量热计的研制及微纳米薄膜比热测试与分析

余隽  
【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2×10~5K·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C_v和定压比热C_p。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。


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