MEMS原理-06讲述

MEMS原理KunmingUniversityofScienceandTechnologyKunming,ChinaOctober,2014索春光[e-mail]06MEMSMaterialsMEMS材料用于MEMS的材料MEMS和微电子技术是不可分离的，许多微系统制造技术与微电子制造技术非常接近但是，微系统的设计和封装技术与微电子技术有很大的不同许多微系统使用微电子材料（如硅和砷化镓）但是，MEMS可使用许多其他的材料，如石英和硼硅酸玻璃、聚合物和塑料、陶瓷等，这些材料却很少用于微电子产品。用于MEMS的材料1.1衬底和晶片1.2活性衬底材料1.3作为衬底材料的硅（Si）1.4硅化合物1.5硅压电电阻1.6砷化镓1.7石英1.8压电晶体1.9聚合物1.10封装材料1.1衬底和晶片微电子和MEMS中频繁使用的“衬底”——指在其上进行微制造工艺的平坦的宏观物体。MEMS中，“衬底”的使用有其他的目的：——除了支撑将机械动作转换为电输出或者反之的转换器之外，还作为信号转换器。半导体中，衬底是从所谓的大片晶片（Wafer）上切下来的单晶片。晶片可以是硅或其他单晶材料，如石英或砷化镓。1.1衬底和晶片材料近似电阻率r/W·cm分类银（Ag）10-6导体铜（Cu）10-58铝（Al）10-55铂（Pt）10-5锗（Ge）10-3~101.5半导体硅（Si）10-3~104.5砷化镓（GaAs）10-3~108磷化镓（GaP）10-2~106.5氧109绝缘体玻璃1010.5镍（Ni）（纯态）1013金刚石1014石英(熔融)1018典型绝缘体、半导体和导体的电阻率1.2活性衬底材料活性衬底材料主要用于微系统中的传感器和执行器，或其他MEMS器件。应用于MEMS器件的典型活性衬底材料包括硅、砷化镓、锗和石英。这些衬底材料基本上都是具有四面体原子键的立方晶格。选择依据：因为它们具有空间稳定性，对于环境条件相对不是很敏感。空间稳定性是高精度传感器和执行器的一个重要要求。1.3作为衬底材料的硅（1）——用于MEMS的理想衬底单晶硅是用于MEMS最广泛的衬底材料，主要因为：1.硅的力学性能稳定，可被集成到相同衬底的电子器件上。2.硅几乎是一个理想的结构材料。3.硅的熔点为1400℃，约为铝的两倍。高熔点可使硅即使在高温下也能保持尺寸的稳定。4.硅的热膨胀系数比钢小8倍，比铝小10倍。5.硅在事实上没有机械迟滞，是传感器和执行器理想材料。6.硅衬底的处理和制作工艺已经比较成熟。1.3作为衬底材料的硅（1）——Siliconwaferfabrication硅作为衬底材料，必须使用单晶纯硅。生产纯单晶硅最常用的方法是直拉法，Czochralski（CZ）法。如图所示，种晶放在拉伸机的尖端，使其与熔化的硅接触以形成更大的晶体。拉伸机随着熔在种晶上硅的不断沉积缓慢向上拉。随着拉伸机的上拉，沉积的熔融硅凝缩，形成了几英尺长的单晶硅芯棒。1.3作为衬底材料的硅（1）——Siliconwaferfabrication1.3作为衬底材料的硅（1）——Siliconwaferfabrication1.3Siliconwaferfabrication（1）——slicingandpolishing1.3作为衬底材料的硅（2）——晶体结构bb=0.543nm晶格常数硅晶体的立体结构示意图AB两个面心立方晶体的结合体1.3作为衬底材料的硅（2）——晶体结构例题1.求纯硅每立方厘米的原子数。解：由于晶格常数b=0.543nm=0.543x10-9m，且每个立方晶胞中有18个原子，则在一立方厘米内的原子数为：323390.01()()181.12100.54310VNnv原子/cm1.3作为衬底材料的硅（3）——密勒指数1xyzabc直角坐标系中点P的方程为：上式可表示为另一种形式:1hxkymz用hkm指定与平面（hkm）垂直的方向。表示为平面的密勒指数。1.3作为衬底材料的硅（3）——密勒指数MillerIndicesofaplaneisdeterminedby-Taketheinterceptsoftheplanealongthecrystallographicaxeseg.2,1,3-Thereciprocalofthethreeintegersaretakenandaremultipliedbythesmallestcommondenominatoreg.1/2,1/1,1/3(multipleby6)􀃆(3,6,2)-Ifaplaneisparalleltoanaxis,itsinterceptisatinfinityanditsMillerindexiszero-ImportantplansinSilattice-{1,0,0}:(1,0,0),(01,0),(0,0,1),(1,0,0),(0,1,0),..-{1,1,0}-{1,1,1}1.3作为衬底材料的硅（3）——密勒指数硅片中主平面和副平面800℃以下，硅基本上是无塑性和蠕变的弹性材料，在所有的环境中几乎不存在疲劳失效。这些独特的性质使其成为MEMS中理想的传感和执行材料。硅是脆性材料。因此在设计承受冲击载荷的微系统时，需要考虑硅的这种不理想的脆性断裂行为。硅的各向异性。由于需要引入与方向相关的力学性能，对硅结构的精确的应力分析变得很复杂。下表给出硅晶体在不同方向上的杨氏模量和剪切模量密勒指数的取向杨氏模量E/GPa剪切模量G/GPa100129.579.0110168.061.7111186.557.51.3作为衬底材料的硅（4）——硅的力学性能MEMS材料的力学和热物理性能材料ss（109N/m2）E1011N/m2r（g/cm3）c[J/(g·℃)]k[W/(cm·℃)]a(10-6/℃)TM℃Si7.001.902.300.701.572.331400SiC21.007.003.200.673.503.302300Si3N414.003.853.100.690.190.801930SiO28.400.732.271.000.0140.501700铝0.170.702.700.9422.3625660不锈钢2.102.007.900.470.32917.301500铜0.070.118.900.3863.9316.561080砷化镓2.700.755.300.350.506.861238锗1.035.320.310.605.80937石英0.5~0.70.76~0.972.660.82~1.200.067~0.127.1017101.3作为衬底材料的硅（4）——硅的力学性能kac例题2.材料的热扩散率是热量流入材料快慢的量度。列出硅、二氧化硅、铝和铜的热扩散率，并分析结果。解：热扩散率是材料的几个特性的函数，如下公式所示：材料k/r/c/热扩散率a/[J/(sce·m·℃)](g/m3)[J/(g·℃)](m2/s)Si1572.3x1060.797.52x106SiO21.42.27x1061.00.62x106铝2362.7x1060.9493x106铜3938.9x1060.386114.4x106用于MEMS材料的热扩散率1.3作为衬底材料的硅（4）——硅的力学性能1.4硅化合物（1）——二氧化硅（SiO2）二氧化硅在MEMS中主要有三个应用：1.作为热和电的绝缘体。2.作为硅衬底刻蚀的掩模。3.作为表面微加工的牺牲层。干法氧化：22SiOSiO湿法氧化：22222SiHOSiOH1.4硅化合物（2）——碳化硅（SiC）碳化硅在MEMS中的基本应用是利用其在高温下尺寸和化学性质的稳定性。采用铝掩模的干法腐蚀可以很容易实现碳化硅薄膜的图形化。碳化硅膜的生产可采用各种沉积技术。1.4硅化合物（3）——氮化硅（Si3N4）氮化硅具有很多吸引MEMS的突出特性：1.有效阻挡水和离子（如钠离子）的扩散。2.超强抗氧化和抗腐蚀的能力使其适于作深层刻蚀的掩模。3.可用作光波导以及防止水和其他有毒流体进入衬底的密封材料。4.用作高强度电子绝缘层和离子注入掩模。利用含硅气体和氨气反应生产：2233423466SiClHNHSiNHClH1.4硅化合物（4）——多晶硅（Polysilicon）硅衬底氧化层无序的多晶硅小颗粒沉积到硅衬底的多晶硅低压化学气相沉积（LPCVD）常用于在硅衬底上沉积多晶硅多晶硅广泛用于IC工业的电阻、晶体管的门、薄膜晶体管等多晶硅重掺杂后电阻率显著降低，作为导体和控制开关用于微电阻和简易欧姆接触的理想材料具有随机的尺寸和取向的单晶硅的集合，可看作各向同性材料1.5硅压电电阻[]R压电电阻效应定义：固体在受到应力场作用时其电阻发生变化的现象。具有这一特性的硅压电电阻被广泛的应用于微传感器和微执行器中。p型硅和n型硅都具有优良的压电电阻效应。（1954年CharlesSmith就发现了p型和n型硅的压电电阻）硅晶体的各向异性使电阻的变化与应力场之间的关系变得更为复杂。它们的关系可用下式表示：（1.5-1）TxxyyzzxyxzyzRRRRRRR代表与应力分量Txxyyzzxyxzyz相对应的一个无限小的立方压电电阻晶体单元的电阻变化在应力张量｛s｝的六个独立应力分量中，三个是正应力分量（sxx、syy和szz），三个是切应力分量（sxy、sxz和syz）1.5硅压电电阻式（1.5-1）中的张量[p]为压电系数矩阵，其形式如下：111212121112121211444444000000000[]0000000000000000（1.5-2）1112()xxxxyyzzR1112()yyyyxxzzR1112()zzzzxxyyR44zyzyR44zzxzR44yzyzR1.5硅压电电阻表（1.5-1）室温下100取向的硅的电阻率和压阻系数材料电阻率W·cmp11p12p44p型硅7.8+6.6-1.1+138.1n型硅11.7-102.2+53.4-13.6从表可知，对于p型硅，最大压阻系数为p44=+138.1x10-11Pa-1，对于n型硅为p11=-102.2x10-11Pa-1。因此，许多硅压电电阻是由硼作掺杂物的p型材料组成。1.5硅压电电阻如前图所示的硅应变计中，L表示沿纵向即x方向的压阻系数，T表示沿切向即y方向的压阻系数。硅压电电阻计的电阻变化可通过下式表示：LLTTRR式中R和R分别表示为硅压电电阻的电阻变化和初始电阻。L和T表示纵向和切向的应力分量。引线引线xySi硅应变计1.6砷化镓砷化镓和硅在微加工中的比较。特性GaAsSi光电子很好不好压电效应有无压电系数（pN/℃）2.60热导率相对低相对高成本高低与其他衬底键合难相对容易断裂脆，易碎脆，结实操作温度高低最佳工作温度（℃）460300物理稳定性一般很好硬度（GPa）710断裂强度（GPa）2.761.7石英性质平行Z的值垂直Z的值温度依赖性热导率[cal/(cm·s)/℃]29x10-316x10-3随温度减少相对介电常数4.64.5随温度减少密度(kg/m3)2.66x1032.66x103热膨胀系数(10-6/℃)7.113.2随温度增加电阻率(W·cm)0.1x101520x1015随温度减少断裂强度(GPa)1.71.7随温度减少硬度(GPa)1212石英的一些性质1.8压电晶体§压电晶体是MEMS最常用的非半导体之一。§JacqueshePierreCurie在1880年就发现了压电效应。§当某些电介质（往往指绝缘体）晶体在外应力作用下，其表面上会产生电荷积累，这一现象叫做正压电