微纳器件中近场热辐射现象及其测试技术研究

摘要

近场热辐射是当前国内外的一个研究热点。研究微纳器件中的近场热辐射对提高器件的绝热性能和开发新型器件都有重要的意义。本文开展了对微纳器件中近场热辐射现象及其测试技术的研究，并通过研制微纳米间隙分隔的、自对准的双层悬空微热板新型器件（简称双微热板器件），实现了平行二氧化硅(SiO2)平板间近场辐射传热的实验测量。本文内容涵盖了对微纳器件中近场热辐射的理论研究，双微热板器件的设计和制作、双微热板器件的特性参数测试及其近场辐射传热的实验测量。主要研究内容包括：
　　⑴进行了微纳器件中近场热辐射的理论研究，并建立了实验模型。利用涨落耗散原理描述物质内部的涨落电流，利用格林函数法求解频域麦克斯韦方程，得到涨落电流辐射的电磁场，通过计算电磁场坡印廷矢量的系综平均值，给出了平行平板间辐射传热的计算方法。在此基础上，建立了平行SiO2平板间近场辐射传热的实验模型，获得了SiO2平板间距在1μm或更小时其间近场辐射传热显著增强的仿真结果。因此，选择平板间距分别为550 nm和1μm两种情况进行实验测量。这一研究工作为双微热板间距的设计提供理论依据，所得研究数据可供微纳器件设计人员参考。
　　⑵研究了双微热板器件的设计及加工技术。基于表面微加工技术设计双微热板器件的加工流程，利用独特的双层牺牲层技术，通过研制自对准的双层悬空薄膜结构，实现双微热板器件的制作。基于上华0.5μm CMOS数模混合集成电路工艺设计加工了两层微热板间距为550 nm的双微热板器件;基于定制的MEMS工艺设计加工了两层微热板间距为1μm的双微热板器件。在上述工作中，通过探索合理的工艺流程，研究并解决了在器件加工过程中的腐蚀窗刻蚀、牺牲层腐蚀、牺牲层腐蚀完成的辅助判断和结构层薄膜残余应力控制等若干关键技术，实现了双微热板器件的加工，提高了加工成品率。
　　⑶组建了双微热板器件性能参数测试系统。该系统由真空系统和计算机采集控制器部分组成。在真空(10-7 mbar)、环境温度293K的条件下，对器件中每层微热板的最大加热电流和热延迟时间，以及两层微热板之间的绝热性进行了测试，得出双微热板器件的特性参数。
　　⑷完成了双微热板间近场热辐射的测试。测试中，采用恒电流方式加热下层微热板作为热辐射的发射器，上层微热板作为吸收器，通过测定吸收器的温升与其吸收热功率的关系，以及比较有无上层吸收器时，下层发射器达到相同温度的加热功耗差值，实现对两层微热板间近场辐射传热的测量。对于间距分别为550 nm和1μm两种样品，所测近场辐射热导与文献中的近场辐射热导数值相近。表明本文提出的测试技术能实现对微纳器件中近场辐射传热的实验测量，为相关研究提供了新途径。

目录

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摘要

图表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 微纳器件中的近场热辐射现象及其特点

1．1．1 远场热辐射、近场热辐射及发生近场热辐射现象的条件

1．1．2 微纳器件中常见的悬空薄膜结构

1．1．3 悬空薄膜结构中的近场热辐射现象及其特点

1．2 近场热辐射的理论研究方法及实验测试技术发展现状

1．2．1 近场热辐射的理论研究方法

1．2．2 近场热辐射的实验测试技术

1．3 本文研究的内容及意义

2 平行平板间近场热辐射的机理和模型

2．1 引言

2．2 表面电磁波的特征及其形成条件

2．3 微纳米尺度辐射传输的理论基础

2．3．1 涨落电流的相关函数

2．3．2 均匀介质系统的并矢格林函数

2．3．3 半无限大平板系统的并矢格林函数

2．3．4 平行的两个半无限大平板系统的并矢格林函数

2．4 基于微纳米尺度辐射传输理论的热辐射模型

2．4．1 半无限大平板的热辐射模型

2．4．2 平行的两个半无限大平板间的热辐射模型

2．4．3 微纳米尺度热辐射传输中表面电磁波的作用

2．4．4 平行的两个半无限大平板间的近场辐射传热模型

2．5 平行二氧化硅平板间近场辐射传热的特征和规律

2．5．1 二氧化硅表面电磁波的特征

2．5．2 近场辐射传热模型及近场辐射传热系数

2．6 本章小结

3 双微热板器件的设计和加工

3．1 引言

3．2 双微热板器件的加工技术、制作工艺和测温方式选择

3．2．1 加工技术选择

3．2．2 制作工艺选择

3．2．3 测温方式选择

3．3 基于标准CMOS工艺的双微热板器件设计及加工

3．3．1 牺牲层材料选择

3．3．2 腐蚀窗刻蚀方案设计

3．3．3 双微热板器件的CMOS加工

3．3．4 双微热板器件的Post-CMOS加工

3．3．5 多晶硅牺牲层腐蚀结束的辅助判断结构

3．3．6 对腐蚀窗刻蚀工艺的验证

3．4 基于定制MEMS工艺的双微热板器件设计和加工

3．4．1 双微热板器件的设计

3．4．2 双微热板器件的加工

3．4．3 介质层残余应力的控制

3．5 本章小结

4 双微热板器件的特性参数测试

4．1 引言

4．2 基于经典传热理论建立双微热板器件的传热模型

4．2．1 单个微热板的传热模型

4．2．2 双微热板器件的传热模型

4．2．3 微热板可承受的最大加热电流

4．3 测试系统搭建

4．3．1 用于稳态热性能测试的系统

4．3．2 用于动态热性能测试的系统

4．3．3 测试电流选择

4．4 550纳米间距双微热板器件的特性参数测试

4．4．1 芯片的封装

4．4．2 温阻特性

4．4．3 最大加热电流

4．4．4 热延迟时间

4．4．5 双层微热板间的绝热性能

4．5 1微米间距双微热板器件的特性参数测试

4．5．1 温阻特性

4．5．2 最大加热电流

4．5．3 热延迟时间

4．5．4 双层微热板间的绝热性能

4．6 本章小结

5 双微热板间近场辐射传热的实验测量

5．1 引言

5．2 实验方案

5．2．1 1微米间距

5．2．2 550纳米间距

5．3 实验过程

5．3．1 1微米间距

5．3．2 550纳米间距

5．4 测量结果

5．4．1 1微米间距

5．4．2 550纳米间距

5．5 分析

5．5．1 测量结果分析

5．5．2 与仿真结果比较

5．5．3 与文献报导数据比较

5．5．4 近场热辐射对微型器件的影响

5．6 本章小结

6 结论与展望

创新点摘要

参考文献

附录A 部分等式的推导过程

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介