MEMS工艺(2材料)扬卫

MEMS工艺——材料梁庭3920330(o)[e-mail]主要内容材料硅材料其他材料MEMS对材料的要求1、具有可微机械加工的特性；2、具有一定的机械性能；3、具有较好的电性能；4、具有较好的热性能。目前能基本满足上述要求的材料有：半导体硅、锗、砷化镓、金属铌，以及石英晶体等，其中，尤以硅材料最为常见。材料的分类按性质分：结构材料、功能材料和智能材料按具体的应用场合：微结构材料、微致动材料与微传感材料MEMS材料结构材料基底材料：硅、砷化镓、其他半导体材料薄膜材料：单晶硅、氮化硅、氧化硅金属材料：金、铝、其他金属功能材料高分子材料：聚酰亚胺、PMMA敏感材料：压阻、压电、热敏、光敏、其他致动材料：压电、形状记忆合金、磁性材料等MEMS材料金属－Al,Au,Cu,W,Ni,TiNi,NiFe,绝缘体SiO2－热生长或蒸汽淀积SiO2－晶体（压电）Si3N4－CVD聚合体－光刻胶、聚酰亚氨等半导体硅－单晶硅、多晶硅和非晶硅为什么硅是比较理想的衬底材料1、它的力学性能稳定，并且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，它具有几乎与钢相同的杨氏模量，但却与铝一样轻；3、硅材料的质量轻，密度为不锈钢的1／3，而弯曲强度却为不锈钢的3.5倍，它具有高的强度密度比和高的刚度密度比。为什么硅是比较理想的衬底材料4、它的熔点为1400℃，约为铝的两倍；5、它的热膨胀系数比钢小倍，比铝小10倍；6、单晶硅具有优良的机械、物理性质，其机械品质因数可高达106数量级，滞后和蠕变极小，几乎为零，机械稳定性好，是理想的传感器和执行器的材料；硅衬底在设计和制造中具有更大的灵活性。一、硅材料单晶硅的生长单晶硅的性质晶面与晶向SiliconwaferfabricationCzochralskiprocess:widely-usedtomakesinglecrystalSi:float-zonecrystalgrowthSiliconwaferfabrication–slicing&polishingSmartcuttingprocess?CMPisused..Why?晶面与晶向硅晶体属于金刚石型晶体结构，其晶胞都具有立方体的形式，在立方体的每个角上都具有一个原子。我们把这个立方体的边长定为晶格常数，用a表示，在室温标准大气压下硅的a=5.43A。晶面由于单晶体是原子周期性规则排列所组成，因此在单晶体中可以划分出一系列彼此平行的平面，这些面被称为晶面。这些彼此平行的晶面组成了晶面族，晶面族有以下性质：(1)每一晶面上结点排列的情况完全相同；(2)相邻的晶面之间距离相等；(3)一族晶面可以把所有的结点都包括进去。晶面指数为了识别晶体内的一个平面，习惯上用晶面指数来标记。Sicrystalorientation~ahines/rocks/vir_cris.htmEachsiteistetrahedrallycoordinatedwithfourothersitesintheothersublatticeEquivalentplanesi.e.families{}Moreatomspercm2(oxidizesfasterthan100)butetchesmuchslowerA．{111}包括（111），（111），（111），（111）B．{110}包括（110），（110），（101），（101），（011），（011）C．{100}包括（100），（010），（001）晶向晶体中所取的方向不同，其物理化学性质也不同．这就形成了晶体的各向异性。晶向可以用垂直于该晶面的法线方向来表示由于硅属于立方晶体结构，在不同晶面上原子的排列密度不同，导致硅晶体的各向异性，因此杂质的扩散速度、腐蚀速度也各不相同。硅单晶在晶面上的原子密度是以(111)(110)(100)的次序递减，因此扩散速度是以(111)(110)(100)方向递增。腐蚀速度也是以(111)(110)(100)的顺序而增加。WaferIndicesMillerindicesofplanesinacubiccrystal1.2多晶硅单晶是指整个晶体内原子都是周期性的规则排列，而多晶是指在晶体内各个局部区域里原子是周期性的规则排列，但不同局部区域之间原子的排列方向并不相同。因此多晶体也看作是由许多取向不同的小单晶体组成的。硅晶体的传感特性物理量信号变换效应光，辐射光电效应，光电子效应，光电导效应，光磁电子效应应力压阻效应热，温度赛贝克效应，热阻效应，P-N结，磁性霍尔效应，磁阻效应离子离子感应电场效应硅材料的优点1、优异的机械特性；2、便于批量生产微机械结构和微机电元件；3、与微电子集成电路工艺兼容；4、微机械和微电子显露便于集成。2硅化合物二氧化硅（SiO2）、碳化硅（SiC）和氮化硅（Si3N4）是微系统中常用的三种硅化合物。二氧化硅二氧化硅在微系统中有三个主要应用：（1）作为热和电的绝缘体（2）作为硅衬底刻蚀的掩膜（3）作为表面微加工的牺牲层二氧化硅的性质碳化硅碳化硅（SiC）在微系统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。甚至在极高的温度下，碳化硅对氧化也有很强的抵抗力。MEMS器件经常沉积一层碳化硅薄膜以防止它们被高温破坏。在MEMS中使用SiC的另一原因是采用铝掩膜的干法刻蚀（可以很容易实现SiC薄膜的图形化。氮化硅氮化硅（Si3N4）具有许多吸引MEMS和微系统的突出特性。它可以有效地阻挡水和离子，如钠离子，的扩散。氮化硅超强抗氧化和抗腐蚀的能力使其适于作深层刻蚀的掩膜。氮化硅可用作光波导以及防止水和其它有毒流体进入衬底的密封材料。它也被用作高强度电子绝缘层和离子植入掩膜3砷化镓砷化镓（GaAs）是一种半导体化合物。它是由等量的砷原子和镓原子组成。作为化合物，含有两种元素原子的砷化镓的晶格结构更为复杂，是用于电子和声子器件在单个衬底单片集成的优秀材料。GaAs的迁移率约比硅高7倍，当它被光源激发时，能更好地促进电子电流流动。4石英石英是SiO2的化合物。石英的一个单位晶胞是四面体形状，三个氧原子分别位于四面体底部的三个顶点，一个硅原子在四面体的另一个顶点上。垂直于基面的轴叫Z轴。石英晶体结构是六个硅原子组成的圆环。石英几乎是用作传感器的理想材料，因为它几乎绝对的尺寸热稳定性。它用于市场中的许多压电器件中，石英晶体的商业应用包括手表、电子滤波器和谐振器。石英是应用于微流体生物医学分析的理想材料5、陶瓷在微机电系统所用的陶瓷材料与一般陶瓷不同，它是以化学合成的物质为原料，控制其中的组分比，经过精密的成型烧结，制成适合微系统需要的多种精密陶瓷材料，通常称为功能陶瓷材料。功能陶瓷具有耐热性、耐腐蚀性、多孔性、光电性、介电性和压电性等许多独特的性能。陶瓷材料在微机电系统技术中的应用(1)作为基板材料；(2)作为微致动器的材料；(3)作为微传感器的材料。作为基板材料的陶瓷材料作为基扳材料，陶瓷材料在微电子技术中已得到广泛的应用。用作基板材料的陶瓷是氧化铝陶瓷，它是混合电路的基础，在基板上采用厚膜技术、薄膜技术、键合技术和粘连技术来制造微电子电路和微机械系统。除去化学惰性、机械稳定性、表面质量外，它的热传导性和热膨胀系数也起着决定的作用。用于致动器和传感器的陶瓷材料微致动器和微传感器所用的陶瓷材料是压电陶瓷材料。压电陶瓷材料是一种电致伸缩材料，同时兼有正压电效应和逆压电效应。若对其施加作用力，则在它确定的两个表面上产生等量异号电荷。反之，当对它施加外电压时，便会产生机械变形。常用压电陶瓷有钛酸钡(DT)、锆钛酸铅(BZT)、改性锆钛酸偏铌酸铅(PN)、铌酸铅钡锂(PBLN)、改性钛酸铅(PT)等6、金属金属由于其具有良好的机械强度、延展性及导电性，在微机电技术中是一类极其重要的材料。除去镍、铜、金等金属材料外，一些特殊的金属材料在微机电系统中也有着广泛的应用。6.1磁致伸缩金属磁致伸缩金属是一种同时兼有正逆磁机械耦合特性的功能材料。当受到外加磁场作用时，便会产生弹性变形；若对其施加作用力，则其形成的磁场将会发生相应的变化。磁致伸缩材料在微机电系统中常被用作微传感器和微致动器材料。6.2形状记忆合金形状记忆合金是利用应力和温度诱发相变的机理来实现形状记忆功能，即将已在高温下定型的形状记忆合金，放置在低温或常温下使其产生塑性变形，当环境温度升高到临界温度(相变温度)时，合金变形消失并可恢复到定型时的原始状态。在此恢复过程中，合金能产生与温度呈函数关系的位移或力，或者二者兼备。形状记忆合金是集“感知”与“驱动”于一体的功能材料。形状记忆合金的应用主要有以下几个方面：(1)形状恢复的应用；(2)伴随形状恢复时应力的应用(3)热敏感性的应用；(4)作为能量贮存体的应用。通过形状记忆合金模仿肌肉的收缩来实现人工肌肉的功能。用背部的金属纤维振动翅膀（TOKI公司）6.3电流变液和磁流变液材料电或磁的流变体是2种神奇的液体。它们经受电场或磁场作用时，其粘性系数会发生巨变。当其处于常态下，可以很容易搅动；但是当其中有电流或磁流穿过时，它会突然间（ms级）变得很粘稠。电/磁流变体的应用用于制造各种力学元器件，如：离合器（具有无级可调、容易控制、响应速度高的特点）；减震器（可在约1ms内实现由低粘度到高粘度的变化，从而可独立而迅速的实现减震）；液压阀等。讨论1、MEMS装置为何大多选用硅材料制造？2、MEMS材料主要分为几类？3、晶面与晶向？材料比较1、具有可微机械加工的特性；硅、氧化硅、氮化硅、碳化硅、砷化镓、石英、陶瓷、金属、流体2、具有一定的机械性能；机械强度、刚度、3、具有较好的电性能；4、具有较好的热性能。思考题：基底材料和薄膜材料在制备、加工、操作难易度和功能等方面具有哪些不同的地方。评价一种材料应用于MEMS的优势和不足应该从那些方面来考虑。