微量熱計的研制及微納米薄膜比熱測試與分析.pdf

1、研究微尺度熱特性既是熱科學向縱深發(fā)展的必然，也是提高微納器件性能的關鍵因素之一。 該文研究微納器件中薄膜的比熱性質(zhì)，內(nèi)容包括研制用于薄膜熱容測量的微型量熱計、構建脈沖量熱系統(tǒng)、以及薄膜比熱的實驗測定與分析。 微量熱計的基本結(jié)構是帶加熱器和測溫器的懸空膜片結(jié)構。該文通過三維有限元模擬對體硅加工型和表面微加工型膜片結(jié)構進行熱分析，并進行了實驗驗證。結(jié)果表明，表面加工型結(jié)構在真空中絕熱性能優(yōu)良、樣品區(qū)溫度分布較均勻，同時，它機

2、械強度高、與IC工藝兼容性好，比體硅加工結(jié)構更符合微量熱計的需要。根據(jù)晶圓代工的工藝條件制定工藝流程，研制了用于微納米薄膜熱容測量的表面加工型微量熱計，該微量熱計在5.5mW加熱功率下溫升速率可達2×105K·s-1。同時還開發(fā)了樣品薄膜定位淀積工藝。 以測量薄膜熱容為目標，構建了脈沖量熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)由真空腔、脈沖加熱電源和信號采集部分組成。根據(jù)微量熱計的性能，合理簡化了脈沖量熱模型。微量熱計空載熱容的測量結(jié)果表明，微量熱計自身

3、熱容小，相鄰微量熱計熱容一致性較好，可以滿足薄膜熱容測量的需要。 測量了幾種厚度的鋁薄膜和銅薄膜在300420K范圍內(nèi)的熱容，表征了薄膜微觀結(jié)構及尺寸并計算了樣品的比熱。1150nm的Al薄膜和340nm的Cu薄膜比熱與相應體材料值基本吻合，但隨著膜厚減小，薄膜比熱表現(xiàn)出明顯的微尺度效應。 采用分子動力學模擬計算了Al和Cu的單晶薄膜在300K～500K溫度范圍的定容比熱Cv和定壓比熱Cp。由于表面原子的聲子軟化，薄膜定