薄膜材料热分析器件的设计与制作

作     者：蒲逸然 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谢建良

授予年度：2018年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：微型量热器件 薄膜材料 热容 多物理场仿真 薄膜热分析 

摘      要：随着电子器件的小型化与微型化,薄膜材料已经广泛应用于微机电系统(MEMS)、光学与半导体器件中。因此,薄膜的热物理特性研究是薄膜研究的重点之一。对于纳米级别的材料,传统的用于块材分析的方法并不适用,需要设计专门的纳米材料热分析器件。根据薄膜材料的二维特性及纳米量热原理,可以设计出用于薄膜热物理特性测试器件,该器件利用线性热电阻加热薄膜材料,通过测量热电阻的电信号表征薄膜材料加热过程中的热物性变化。本文的创新点在于利用多物理场仿真软件对量热器件的设计与制备进行指导,对器件的结构进行了优化,通过仿真结果选择最佳器件材料结构的同时,在实际制备过程中,能通过简单的光刻与刻蚀工艺将器件加工成型。本文利用COMSOL多物理场仿真软件对器件的性能进行了仿真,发现在仿真的温度范围内,器件热辐射导致的测试误差可以忽略。通过对不同器件悬膜厚度、悬膜材料、热电阻形状的仿真,确定了性能最佳的器件参数,同时通过器件对铜薄膜热容测试仿真及铟薄膜熔化测试仿真,验证了器件测试的准确性。对于器件制备,本文设计了器件从薄膜生长到图形化的完整制作流程,整个过程均可利用微细加工工艺实现。其中,重点关注了器件制备过程中薄膜生长工艺的优化。器件中的悬膜与热电阻层是器件最重要的两个部分,对于悬膜材料,选择仿真中效果最好的二氧化硅,通过控制等离子体增强物理气相沉积(PECVD)中各种参数,利用薄膜的沉积速率和表面粗糙度表征薄膜质量。同样的,通过调节磁控溅射的各种参数,利用薄膜的沉积速率和表面粗糙度表征热电阻薄膜质量。针对于器件高速测量的要求,本文选用了高精度高速万用表进行热电阻电压测试。利用LabVIEW软件,编写了用于控制该万用表的图形化程序。该测试系统与器件一起形成了完整的薄膜热物理特性测试平台。利用制备好的热分析器件进行FeCoAlSi薄膜的热动力学测试以及In薄膜的熔点测试,分析薄膜加热过程中的相变与熔化吸热等情况,以初步验证该器件的测试的可行性与准确性。