基于MEMS技术的硅纳米线机械特性与制造方法研究

摘要

本文对基于MEMS技术的硅纳米线的机械特性和制造方法进行了研究。通过建立硅纳米线模型和分子动力学方法模拟硅纳米线的机械弹性模量，研究和分析了硅纳米线的尺寸、温度以及表面状态对机械弹性模量的影响，得到了尺度效应、温度效应和表面结构影响的初步结果。对于纳米线的制造工艺，提出了一种基于MEMS技术的制作硅纳米线的方法，通过有效地观测和控制腐蚀的进程成功地实现了单晶硅纳米线的制备，并对样品进行了显微电子学表征。 本论文的主要工作和特色可概括如下：1.建立了分子动力学模拟硅纳米线的模型与方法，包括势函数的选取、元胞的建立、硅纳米线的成形排列、表面再构的原子实现和机械模量的计算方法等。 2.通过分子动力学方法研究了硅纳米线的机械特性与其尺寸、温度以及表面状态之间的关系，对硅线和硅结构在纳米尺度的新特性有了初步的认识。 3.设计了一种简单的利用硅的各向异性腐蚀制造硅纳米线的工艺流程，该方法避免了传统纳米制造技术中采用的电子束直写等高精度光刻工艺，整个工艺简单，便于批量生产。 4.采用特别设计的与[100]晶向偏差一定角度的图形，通过观察该图形的腐蚀情况对硅的各向异性腐蚀工艺的时间进行控制，提高了工艺的可控制性，具有较好的重复性。 本文对硅纳米线机械特性的模拟分析结果，有望应用于NEMS谐振器的设计中，使得在设计初期可以更好的分析器件的特性；而本文提出的基于MEMS技术的硅纳米线制造方法，可以拓展到纳米电子器件、纳米光器件、纳米传感器等的加工与制造领域。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1微机电系统与纳机电系统

1.1.1微机电系统

1.1.2纳机电系统

1.2 NEMS谐振器的发展

1.2.1 MEMS谐振器

1.2.2典型NEMS谐振器

1.3NEMS谐振器与硅纳米线的制造技术

1.3.1利用SPL(scanning probelithography)制作纳米线

1.3.2利用特殊沟道结构的侧蚀方法

1.3.3利用侧壁掩膜(sidewall masking)技术

1.3.4利用自限制氧化工艺制作纳米线

1.4硅纳米线的特性研究

1.4.1实验研究

1.4.2理论分析

1.5本论文的主要内容及意义

第一章参考文献

第二章 分子动力学方法

2.1分子动力学方程及数值求解

2.1.1体系的运动方程

2.1.2数值求解方法

2.2多体系统的基本概念

2.2.1分子动力学元胞

2.2.2元胞的周期性边界条件

2.2.3不同分子动力学元胞内粒子间的相互作用

2.3原子间的势

2.3.1对势

2.3.2基于有效介质方法的作用势

2.3.3共价键势

2.4本章小结

第二章参考文献

第三章 硅纳米线的机械特性研究

3.1应用于硅纳米线的模型建立

3.1.1势函数的选取

3.1.2硅纳米线的结构模型

3.1.3边界条件设置

3.1.4绝热系统与等温系统的选择

3.1.5时间步长

3.2弹性模量的计算

3.2.1体模量

3.2.2切模量

3.2.3杨氏摸量

3.3尺度效应的模拟与分析

3.4温度对硅纳米线弹性模量的影响

3.5表面原子结构对弹性摸量的影响

3.5.1具有{001}终止面的方柱形纳米线的表面再构

3.5.2具有{111}终止面的三角柱形纳米线的表面再构

3.5.3方柱形与三角柱形硅纳米线对比

3.5本章小结

第三章参考文献

第四章 硅纳米线设计与制造工艺

4.1基本工艺流程设计

4.2工艺版图设计

4.3硅纳米线制作过程与结果

4.3.1腐蚀观测图形

4.3.2腐蚀时间的控制

4.3.3硅纳米线的SEM表征

4.4工艺中存在的问题

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1本论文的工作总结

5.2一些展望

致谢

个人简历

硕士期间发表文章