高温下硅微通道阵列孔道应变的ABAQUS有限元模拟

孙振庭

硅微通道阵列经高温氧化过程会产生不规则的形变，是高温环境下产生的热应力所致。本文通过建立ABAQUS有限元的模拟程序，对高温氧化过程中硅微通道阵列的单一孔道应变情况进行模拟仿真，并计算出不同温度下硅微通道阵列单一孔道的内角与外角的角度大小。模拟结果表明，硅微通道阵列经高温氧化过程，在1100℃时，内角角度为89.35°，外角角度为270.17°，不同温度下内角与外角之和小于360°，孔道壁凹陷，孔道夹角处凸起。

【关键词】硅微通道阵列 高温氧化 ABAQUS 应变

1 引言

硅微通道板是在硅微通道阵列基体器件上通过打拿极技术制备一层起二次电子发射作用的半导体薄膜，其结构主要包括硅基体层、绝缘层、半导体层以及发射层，其具有体积小、高分辨、高增益、低噪声、低功耗等优点。在硅微通道阵列的制备过程中，需要进行高温氧化实验，经氧化实验得到的硅微通道阵列会产生形变，对后续制备工艺产生了影响。本文通过用ABAQUS有限元模拟仿真软件对硅微通道阵列高温环境下单一孔道形变特性进行模拟仿真，通过模拟输出的孔道的内角与外角变化情况分析硅微通道阵列孔道的形变特性。

2 硅微通道阵列孔道应变仿真

具体操作步骤如下：

（1）在ABAQUS有限元模拟软件中创建硅微通道阵列三维模型孔道边长8μm，孔道壁厚2μm，孔道深度280μm。

（2）在ABAQUS有限元模拟软件的参量模块中输入二氧化硅的参数。依次输入二氧化硅的密度2.2g/cm3，屈服强度6Gpa、热导率140 、杨氏模量73.1、泊松比0.17、热膨胀系数0.5×10-6/K。

（3）将已输入好的二氧化硅的相关参数通过ABAQUS装配模块附加到已创建的硅微通道阵列三维模型中。

（4）将硅微通道阵列高温热处理过程中的温度和时间参数创建到ABAQUS有限元模拟软件的分析步模块中，设定分析步为100，分析步增量为1.5，并为硅微通道阵列三维模型创建边界条件。

（5）如图1将硅微通道阵列三维模型进行网格划分。

（6）上述步骤进行完毕后，通过ABAQUS有限元模拟软件运算模块计算出硅微通道阵列三维模型的应力分布图及其数值大小。

3 模拟结果分析讨论

图2是硅微通道阵列单一孔道应变图，图中定义了内角和外角的位置选取以及所得形貌变化。

表1是硅微通道阵列在不同温度下，所选取的截平面随温度变化内角与外角具体大小数值表。从图2和表1可以看出，在高温氧化中任意温度下，孔道内角小于90，外角大于270°，内角与外角产生了如图2（b）所示的应变情况，由模拟数据可以发现，同一温度下孔道内角与外角之和小于360°，是热应力的影响导致内角与外角处氧化层生长不均匀，在实验温度1100℃时，内角由90°变为89.35°，角度减小0.65°，外角由270°增加到270.15°，角度增加0.17°，内角角度减小量大于外角角度增加量，随温度升高，内角处受热应力影响较大，氧化层生长速率较慢，导致连两边逐渐靠拢，内角凸起，角度减小两边孔道壁则在热应力作用下產生凹陷现象。

4 结论

本文用ABAQUS有限元模拟模拟软件对硅微通道阵列高温氧化过程中单一孔道应变情况进行了模拟仿真，并对模拟结果进行分析得到如下结论：

（1）随着温度的升高孔道内角角度变小，外角角度变大，1100℃时内角角度为89.35°，外角角度为270.17°。

（2）高温氧化中任意温度下，内角与外角之和小于360°

（3）单一孔道形变现象是孔道壁凹陷，孔道夹角处凸起。

参考文献

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作者单位

长春理工大学电子科学与技术系 吉林省长春市 130022