微量熱計(jì)的研制及微納米薄膜比熱測(cè)試與分析.pdf

1、研究微尺度熱特性既是熱科學(xué)向縱深發(fā)展的必然，也是提高微納器件性能的關(guān)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(cè)量的微型量熱計(jì)、構(gòu)建脈沖量熱系統(tǒng)、以及薄膜比熱的實(shí)驗(yàn)測(cè)定與分析。 微量熱計(jì)的基本結(jié)構(gòu)是帶加熱器和測(cè)溫器的懸空膜片結(jié)構(gòu)。該文通過(guò)三維有限元模擬對(duì)體硅加工型和表面微加工型膜片結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，表面加工型結(jié)構(gòu)在真空中絕熱性能優(yōu)良、樣品區(qū)溫度分布較均勻，同時(shí)，它機(jī)

2、械強(qiáng)度高、與IC工藝兼容性好，比體硅加工結(jié)構(gòu)更符合微量熱計(jì)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(cè)量的表面加工型微量熱計(jì)，該微量熱計(jì)在5.5mW加熱功率下溫升速率可達(dá)2×105K·s-1。同時(shí)還開發(fā)了樣品薄膜定位淀積工藝。 以測(cè)量薄膜熱容為目標(biāo)，構(gòu)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(hào)采集部分組成。根據(jù)微量熱計(jì)的性能，合理簡(jiǎn)化了脈沖量熱模型。微量熱計(jì)空載熱容的測(cè)量結(jié)果表明，微量熱計(jì)自身

3、熱容小，相鄰微量熱計(jì)熱容一致性較好，可以滿足薄膜熱容測(cè)量的需要。 測(cè)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(gòu)及尺寸并計(jì)算了樣品的比熱。1150nm的Al薄膜和340nm的Cu薄膜比熱與相應(yīng)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(yīng)。 采用分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)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