基于双层微量热计的金属薄膜热容及熔点的研究

摘要

薄膜材料被广泛应用于MEMS（微电子机械系统）、半导体和光学器件中，其热物性是器件热设计的必要参数。对于准二维的亚微米厚度薄膜材料，由于其热容十分微小，必须设计专用微量热计来测量热容和熔点。
　　常规微量热计加载薄膜样品时需将薄膜样品定位淀积到微量热计温度分布最均匀的中心样品区域，操作十分困难、误差大且成功率低。为此，本文设计一种样品自对准淀积的双层薄膜量热计结构，并针对其结构特点建立合理的量热模型，采用表面微加工与体硅微加工技术相结合的方法，制造了热容小、灵敏度高操作简单的快速热扫描双层薄膜微量热计。设计并改进了薄膜热容测试系统。
　　采用恒流脉冲方式取代原有测试系统的恒压脉冲方式，简化了信号采集过程;改用占空比可调的脉冲发生器代替函数发生器，使系统能够提供功率更高的加热脉冲;采用仪用放大电路代替普通差分放大电路，大大提高了系统信噪比;采用高精度AD数据采集卡替代示波器进行数据采集，减小了电压测量误差，使熔化相变吸热峰的准确测量得以实现。改进后的系统测量精度显著提高。
　　运用该测试系统测量了不同厚度铟薄膜的热容和熔点。制备了厚度15～90nm的铟薄膜，并表征了薄膜微观结构。采用实验与仿真相结合的方法，研究了微量热计全载薄膜样品和臂载薄膜样品的热容曲线，结果表明热容随膜厚的增加而增加，厚度在15～90nm的铟薄膜的熔点为433K，与体材料基本一致且不随其膜厚变化，与文献报道一致。说明采用双层微量热计测量纳米薄膜的热容和熔点的方案是可行的。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题提出的背景和意义

1．2 比热及熔点的微尺度效应

1．3 微量热计的研究进展

1．4 论文的主要工作

2 双层微量热计的结构设计与制造

2．1 双层微量热计的结构设计

2．1．1 微量热计的基本组成

2．1．2 H型桥式双层薄膜量热计结构设计

2．2 双层微量热计的制造

2．2．1 双层悬膜的工艺研究

2．2．2 加工流程设计

2．2．3 微量热计的检测和测试

3 量热测试系统的搭建

3．1 硬件系统的总体设计

3．2 软件系统的整体设计

3．2．1 系统框图

3．2．2 仪器的连接和配置

3．2．3 系统控制界面

3．3 信号采集模块的改进与测试

3．3．1 传输电缆

3．3．2 仪用放大电路

3．3．3 AD数据采集卡

4 微量热计热性能测试与分析

4．1 微量热计测试方法

4．1．1 脉冲量热法

4．1．2 弛豫时间法

4．2 温阻特性

4．2．1 选择标定电流

4．2．2 温阻系数计算

4．3 稳态功耗特性

4．4 热延迟特性

5 金属薄膜的热容及熔点的测量与分析

5．1 薄膜样品的制备和表征

5．1．1 薄膜的制备

5．1．2 XRD分析

5．1．3 SEM分析

5．2 双层微量热计有限元热分析

5．2．1 建立模型

5．2．2 有限元热分析结果与讨论

5．3 双层微量热计的实验测量与分析

5．3．1 全载型微量热计金属薄膜热容及熔点的测试

5．3．2 臂载型微量热计金属薄膜热容及熔点的测试

5．4 误差讨论与分析

5．4．1 测量误差分析

5．4．2 系统适用范围

结论

参考文献

附录A 控制界面的G语言代码

附录B 数据处理的M代码

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢