多尺度單晶硅膜的力學(xué)特性理論研究.pdf

1、納電子機(jī)械系統(tǒng)(NEMS)是在微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的具有納米技術(shù)特點(diǎn)的器件和系統(tǒng)。單晶硅作為應(yīng)用于MEMS和NEMS最廣泛的材料，其物理參數(shù)多年來是最被重視和研究得最廣泛的性質(zhì)。楊氏模量在宏觀上體現(xiàn)彈性體應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系，與MEMS結(jié)構(gòu)受力下的變形、撓度及諧振頻率等重要特性有最直接的關(guān)系。從微觀角度上，楊氏模量體現(xiàn)了單晶硅晶格中原子間化學(xué)鍵作用的強(qiáng)弱。因此,硅的楊氏模量是最受關(guān)注的NEMS基本參數(shù)之一。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在材料

2、的厚度減小到納米量級時，楊氏模量與體材料相比發(fā)生了顯著的變化。因此，建立多尺度硅材料的力學(xué)模型是重要的。 研究工作的關(guān)鍵在于：(1)建立復(fù)雜的、基于原子模型的連續(xù)介質(zhì)模型，以期通過這一模型對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或模擬結(jié)果給出一致的解釋，最終獲得穩(wěn)定可靠的楊氏模最值：(2)由于采用MEMS技術(shù)向下延伸制造的NEMS器件中，同時存在從納米尺寸到微米尺寸甚至到毫米外形的多尺度耦合問題，需要建立多尺度下無縫耦合的模型；(3)材料尺度進(jìn)入納米量級時，

3、表面形貌將對材料的參數(shù)有所影響；(4)為研究NEMS體系，需要建立力、熱耦合的模型。 1.基于半連續(xù)模型建立了多尺度單晶硅膜楊氏模量的解析模型，在模型中通過兩體等效彈簧模型計(jì)算體系的形變能。并考慮了加工工藝導(dǎo)致的本征氧化層對楊氏模量的影響，建立了表面有氧化層的硅膜力學(xué)模型，對表面氧化層厚度不同的硅膜楊氏模量進(jìn)行了分析和比較。 2.由考慮兩體相互作用和三體相互作用的Keating形變勢模型出發(fā)，計(jì)算了硅膜的形變能，并基于半

4、連續(xù)模型建立了多尺度單晶硅膜楊氏模量的解析模型。并將此模型與由兩體等效彈簧模型出發(fā)得到的結(jié)果進(jìn)行了比較和分析。 3.在基于Keating形變勢模型計(jì)算的多尺度單晶硅膜楊氏模量基礎(chǔ)上，根據(jù)表面重構(gòu)時表面原子結(jié)構(gòu)對理想原子結(jié)構(gòu)的變化，建立了考慮表面重構(gòu)的多尺度單晶硅膜楊氏模量的解析模型。 4.以溫度對晶格常數(shù)的影響、進(jìn)而對Keating形變勢模型中的力常數(shù)的影響為基礎(chǔ)，由力常數(shù)變化的非諧Keating模型得到了溫度不同時體系