高溫下硅微通道陣列孔道應變的ABAQUS有限元模擬

孫振庭

硅微通道陣列經高溫氧化過程會產生不規則的形變，是高溫環境下產生的熱應力所致。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變情況進行模擬仿真，并計算出不同溫度下硅微通道陣列單一孔道的內角與外角的角度大小。模擬結果表明，硅微通道陣列經高溫氧化過程，在1100℃時，內角角度為89.35°，外角角度為270.17°，不同溫度下內角與外角之和小于360°，孔道壁凹陷，孔道夾角處凸起。

【關鍵詞】硅微通道陣列 高溫氧化 ABAQUS 應變

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制備一層起二次電子發射作用的半導體薄膜，其結構主要包括硅基體層、絕緣層、半導體層以及發射層，其具有體積小、高分辨、高增益、低噪聲、低功耗等優點。在硅微通道陣列的制備過程中，需要進行高溫氧化實驗，經氧化實驗得到的硅微通道陣列會產生形變，對后續制備工藝產生了影響。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境下單一孔道形變特性進行模擬仿真，通過模擬輸出的孔道的內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變仿真

具體操作步驟如下：

（1）在ABAQUS有限元模擬軟件中創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。依次輸入二氧化硅的密度2.2g/cm3，屈服強度6Gpa、熱導率140 、楊氏模量73.1、泊松比0.17、熱膨脹系數0.5×10-6/K。

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

（4）將硅微通道陣列高溫熱處理過程中的溫度和時間參數創建到ABAQUS有限元模擬軟件的分析步模塊中，設定分析步為100，分析步增量為1.5，并為硅微通道陣列三維模型創建邊界條件。

（5）如圖1將硅微通道陣列三維模型進行網格劃分。

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

3 模擬結果分析討論

圖2是硅微通道陣列單一孔道應變圖，圖中定義了內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角與外角具體大小數值表。從圖2和表1可以看出，在高溫氧化中任意溫度下，孔道內角小于90，外角大于270°，內角與外角產生了如圖2（b）所示的應變情況，由模擬數據可以發現，同一溫度下孔道內角與外角之和小于360°，是熱應力的影響導致內角與外角處氧化層生長不均勻，在實驗溫度1100℃時，內角由90°變為89.35°，角度減小0.65°，外角由270°增加到270.15°，角度增加0.17°，內角角度減小量大于外角角度增加量，隨溫度升高，內角處受熱應力影響較大，氧化層生長速率較慢，導致連兩邊逐漸靠攏，內角凸起，角度減小兩邊孔道壁則在熱應力作用下產生凹陷現象。

4 結論

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變情況進行了模擬仿真，并對模擬結果進行分析得到如下結論：

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

（2）高溫氧化中任意溫度下，內角與外角之和小于360°

（3）單一孔道形變現象是孔道壁凹陷，孔道夾角處凸起。

參考文獻

[1]WANG G，LI Y，GAO Y，et al.Study on Silicon Microchannel Plate Image Intensifier.Chinese Journal of Electron Devices，2008，1：074.

[2]潘京生.微通道板及其主要特征性能.應用光學，2004，25（05）：25-29.

[3]Glassbrenner C J，Slack G A.Thermal conductivity of silicon and germanium from 3 K to the melting point.Physical Review，1964，134（4A）：A1058.

[4]Jain S C，Agarwal S K，Borle W N，et al.Total emissivity of silicon at high temperatures.Journal of Physics D：Applied Physics，1971，4（08）：1207.

作者單位

長春理工大學電子科學與技術系 吉林省長春市 130022