基于四边固支矩形膜结构的碳化硅(SiC)杨氏模量测量方法研究

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SiC在高温、强腐蚀、强辐射下仍具有出色的力学性能,是极端环境下MEMS器件的首选材料,杨氏模量是指导MEMS器件设计的重要物理参数。目前SiC的制备工艺还不成熟,工艺参数对SiC微结构的杨氏模量有很大的影响,不同工艺条件下生长的SiC,其杨氏模量差别较大。因此每种工艺参数生长SiC后,都要对该工艺条件下的杨氏模量进行重新测试,以指导其器件设计。一般微结构力学测量方法都要对材料进行加工,SiC化学性质十分稳定,对其进行加工的成本较高、时间较长。本文设计了一种通过测量SiC矩形膜的弹性系数的方法来测得SiC的杨氏模量E,无需对SiC进行刻蚀加工,能简单、快速地对SiC的杨氏模量进行测量。具体来说,有以下几个方面:1.理论基础方面,基于偶应力理论,引入本征长度,研究了四边固支矩形膜力学理论基础,得到挠度、应力和杨氏模量的求解方法。此外,还研究了膜的长宽比、边长、厚度对矩形膜中点弹性系数的影响。2.工艺路线方面,结合实验室现有条件和设备,探索出SiC矩形膜的加工工艺。本文以TMAH溶液进行腐蚀腐蚀加工,成功制备两块SiC矩形膜。3.矩形膜弹性系数及SiC杨氏模量测量方面,用AFM测量计算得到了SiC薄膜下的杨氏模量和矩形膜中点的弹性系数。首先用该种方法测量Si的杨氏模量,证明该方法的可靠性。测得Si(100)的杨氏模量为141.9GPa,与Si(100)的杨氏模量标准值130GPa相差很小,证明了这种方法是可靠的。测得两块SiC膜的杨氏模量分别为79.7±10.60GPa与61.7±16.28GPa。与常规SiC相比,本文所用SiC的晶体结构缺陷较大,因此测得的杨氏模量较小,表明在微尺度下,材料的晶体质量对其力学性能有着很大的影响,该SiC薄膜的生长工艺还有待改善。
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