多孔硅材料的微拉曼光谱应力测量技术

摘要

多孔硅薄膜是具有良好力热光电性能的纳米半导体材料，但是备制时在材料内部会产生残余应力，在实际应用中，这些残余应力会引起多孔硅薄膜结构或器件的翘曲、倒塌和断裂。因此，需要研究有效的无损的多孔硅材料或器件的残余应力测量技术。微拉曼光谱法是一种有效的应力测量技术，它具有无损、快速、空间分辨率高等特点。该技术在多孔硅材料应力测量中应用的关键在于建立多孔硅材料的拉曼频移与应力间的定量关系，但目前还缺少这一关系。本文针对多孔硅材料的拉曼应力测量理论以及相应的拉曼频移与应力间的定量关系开展了研究工作。
　　本文建立了多孔硅材料的横观各向同性力学模型，研究了适用于横观各向同性材料的拉曼应力测量理论，推导出了横观各向同性材料的拉曼频移-应力关系式。同时，采用纳米压痕方法与数字散斑相关方法对多孔硅材料的弹性模量和泊松比等力学性能参数进行了实验测定。利用所研究的拉曼应力测量理论与实验测定的材料参数，本文确定了多孔硅材料的拉曼频移应力因子及其随材料孔隙率的变化曲线。结果表明，测量的空间方位和材料参数，特别是弹性模量是影响横观各向同性材料拉曼频移应力因子的主要因素；多孔硅的拉曼频移应力因子随着孔隙率的增大快速减小；60％孔隙率多孔硅的拉曼频移应力因子比单晶硅的频移因子减小了1个量级。
　　本文利用多孔硅材料的拉曼频移-应力定量关系，应用微拉曼光谱法对多孔硅薄膜/单晶硅基底复合结构的残余应力进行了测量。结果表明，材料制备在多孔硅薄膜内部引起了较大的拉应力，该拉应力是导致多孔硅薄膜开裂的主要原因；在界面区域残余应力分布急剧变化为压应力，在硅基底中应力线性分布，这与结构的翘曲变形相对应。

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第一章 绪论

1.1多孔硅的性质及应用

1.2微拉曼光谱应力测量技术

1.3本文主要工作

第二章 横观各向同性材料的拉曼频移-应力公式

2.1多孔硅的微观结构

2.2多孔硅的横观各向同性力学模型

2.3横观各向同性材料的拉曼频移-应力公式

2.4本章小结

第三章 多孔硅材料力学性能实验

3.1测弹性模量的纳米压痕实验

3.2测泊松比的数字散斑相关实验

3.3本章小结

第四章 微拉曼光谱应力测量技术与应用

4.1多孔硅拉曼频移应力因子的确定

4.2关于多孔硅拉曼频移应力因子的讨论

4.3多孔硅薄膜结构残余应力测试与分析

4.4本章小结

第五章 总结

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢