高溫下硅微通道陣列孔道應(yīng)變的ABAQUS有限元模擬

孫振庭

硅微通道陣列經(jīng)高溫氧化過程會產(chǎn)生不規(guī)則的形變，是高溫環(huán)境下產(chǎn)生的熱應(yīng)力所致。本文通過建立ABAQUS有限元的模擬程序，對高溫氧化過程中硅微通道陣列的單一孔道應(yīng)變情況進(jìn)行模擬仿真，并計(jì)算出不同溫度下硅微通道陣列單一孔道的內(nèi)角與外角的角度大小。模擬結(jié)果表明，硅微通道陣列經(jīng)高溫氧化過程，在1100℃時(shí)，內(nèi)角角度為89.35°，外角角度為270.17°，不同溫度下內(nèi)角與外角之和小于360°，孔道壁凹陷，孔道夾角處凸起。

【關(guān)鍵詞】硅微通道陣列 高溫氧化 ABAQUS 應(yīng)變

1 引言

硅微通道板是在硅微通道陣列基體器件上通過打拿極技術(shù)制備一層起二次電子發(fā)射作用的半導(dǎo)體薄膜，其結(jié)構(gòu)主要包括硅基體層、絕緣層、半導(dǎo)體層以及發(fā)射層，其具有體積小、高分辨、高增益、低噪聲、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。在硅微通道陣列的制備過程中，需要進(jìn)行高溫氧化實(shí)驗(yàn)，經(jīng)氧化實(shí)驗(yàn)得到的硅微通道陣列會產(chǎn)生形變，對后續(xù)制備工藝產(chǎn)生了影響。本文通過用ABAQUS有限元模擬仿真軟件對硅微通道陣列高溫環(huán)境下單一孔道形變特性進(jìn)行模擬仿真，通過模擬輸出的孔道的內(nèi)角與外角變化情況分析硅微通道陣列孔道的形變特性。

2 硅微通道陣列孔道應(yīng)變仿真

具體操作步驟如下：

（1）在ABAQUS有限元模擬軟件中創(chuàng)建硅微通道陣列三維模型孔道邊長8μm，孔道壁厚2μm，孔道深度280μm。

（2）在ABAQUS有限元模擬軟件的參量模塊中輸入二氧化硅的參數(shù)。依次輸入二氧化硅的密度2.2g/cm3，屈服強(qiáng)度6Gpa、熱導(dǎo)率140 、楊氏模量73.1、泊松比0.17、熱膨脹系數(shù)0.5×10-6/K。

（3）將已輸入好的二氧化硅的相關(guān)參數(shù)通過ABAQUS裝配模塊附加到已創(chuàng)建的硅微通道陣列三維模型中。

（4）將硅微通道陣列高溫?zé)崽幚磉^程中的溫度和時(shí)間參數(shù)創(chuàng)建到ABAQUS有限元模擬軟件的分析步模塊中，設(shè)定分析步為100，分析步增量為1.5，并為硅微通道陣列三維模型創(chuàng)建邊界條件。

（5）如圖1將硅微通道陣列三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

（6）上述步驟進(jìn)行完畢后，通過ABAQUS有限元模擬軟件運(yùn)算模塊計(jì)算出硅微通道陣列三維模型的應(yīng)力分布圖及其數(shù)值大小。

3 模擬結(jié)果分析討論

圖2是硅微通道陣列單一孔道應(yīng)變圖，圖中定義了內(nèi)角和外角的位置選取以及所得形貌變化。

表1是硅微通道陣列在不同溫度下，所選取的截平面隨溫度變化內(nèi)角與外角具體大小數(shù)值表。從圖2和表1可以看出，在高溫氧化中任意溫度下，孔道內(nèi)角小于90，外角大于270°，內(nèi)角與外角產(chǎn)生了如圖2（b）所示的應(yīng)變情況，由模擬數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，同一溫度下孔道內(nèi)角與外角之和小于360°，是熱應(yīng)力的影響導(dǎo)致內(nèi)角與外角處氧化層生長不均勻，在實(shí)驗(yàn)溫度1100℃時(shí)，內(nèi)角由90°變?yōu)?9.35°，角度減小0.65°，外角由270°增加到270.15°，角度增加0.17°，內(nèi)角角度減小量大于外角角度增加量，隨溫度升高，內(nèi)角處受熱應(yīng)力影響較大，氧化層生長速率較慢，導(dǎo)致連兩邊逐漸靠攏，內(nèi)角凸起，角度減小兩邊孔道壁則在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生凹陷現(xiàn)象。

4 結(jié)論

本文用ABAQUS有限元模擬模擬軟件對硅微通道陣列高溫氧化過程中單一孔道應(yīng)變情況進(jìn)行了模擬仿真，并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析得到如下結(jié)論：

（1）隨著溫度的升高孔道內(nèi)角角度變小，外角角度變大，1100℃時(shí)內(nèi)角角度為89.35°，外角角度為270.17°。

（2）高溫氧化中任意溫度下，內(nèi)角與外角之和小于360°

（3）單一孔道形變現(xiàn)象是孔道壁凹陷，孔道夾角處凸起。

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作者單位

長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系 吉林省長春市 130022