多孔硅力學(xué)性能的光力學(xué)方法與數(shù)值模擬研究.pdf

1、多孔硅薄膜是一種具有優(yōu)良力熱光電性能的納米半導(dǎo)體材料，在MEMS工藝中具有廣闊的應(yīng)用前景，其力學(xué)性能的研究具有非常重要的意義。由于在微觀領(lǐng)域材料性能出現(xiàn)尺寸效應(yīng)，表現(xiàn)出與宏觀材料巨大的性能差異，同時很多傳統(tǒng)的測試方法和裝置已經(jīng)不再適用，建立新的數(shù)據(jù)模型和開發(fā)新的測試技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急。本課題從數(shù)值模擬和實驗觀測兩方面對多孔硅薄膜的彈性模量和殘余應(yīng)力進行了全面的探索與研究。 力學(xué)性能與材料的原子和電子結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系，而不同孔隙率的

2、多孔硅薄膜的平衡晶格常數(shù)和平衡狀態(tài)下的普通單晶硅本體是不同的，本文把原子級模擬技術(shù)和傳統(tǒng)的有限元方法相結(jié)合，提出了一種基于原子勢的連續(xù)介質(zhì)方法，推導(dǎo)了多孔硅薄膜胞壁固體相的本構(gòu)關(guān)系，建立了以孔洞為夾雜而納米硅胞壁為基體的本構(gòu)模型。把宏觀、細觀和納觀三層嵌套模型有機結(jié)合起來，對多孔硅材料的宏觀等效彈性性質(zhì)進行了有限元數(shù)值模擬，系統(tǒng)分析了不同孔隙率多孔硅薄膜的宏觀彈性常數(shù)，理論模擬結(jié)果與已有的實驗數(shù)據(jù)符合良好。 本文率先把鼓泡法應(yīng)用

3、于多孔硅薄膜力學(xué)性能的測量中。根據(jù)鼓泡法的基本原理，自行設(shè)計研制了測量多孔硅薄膜力學(xué)性能的實驗裝置，利用自行研制的實驗裝置對所制備的多孔硅薄膜/硅基底復(fù)合體試樣進行了測量，得到該試樣的多孔硅薄膜的彈性模量，所得彈性模量與前面章節(jié)理論預(yù)測值相吻合。 本文通過基片曲率法設(shè)計和制作了一種測量薄膜殘余應(yīng)力的裝置，它具有全場性、非接觸性、高分辨率、無破壞、數(shù)據(jù)獲取速度快等特點。使用該裝置測量了電化學(xué)腐蝕法制作的多孔硅薄膜的殘余應(yīng)力，并研究

4、了孔隙率和基底摻雜濃度對殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明隨著孔隙率的增加和硼離子摻雜濃度的提高，多孔硅表面的拉伸應(yīng)力逐漸加大，由此表明多孔硅薄膜的微觀結(jié)構(gòu)與殘余應(yīng)力的大小有著密切的聯(lián)系。 根據(jù)改進的TFD理論和彈性力學(xué)模型，本文首次從界面電子密度理論的角度分析和計算了多孔硅薄膜殘余應(yīng)力。通過電子密度理論推算出多孔硅薄膜的表面電子密度，又從理論上分析了摻B的p型Si襯底的摻雜濃度對PS薄膜內(nèi)應(yīng)力的影響，并得到實驗驗證，從而初步證明了襯底與