微机电系统功能材料+3微机械制造技术.ppt

第二部分 微机电系统功能材料,MEMS 常用材料,半导体材料：硅及其化合物等。 电致伸缩材料：压电陶瓷、氧化锌、石英等。 磁致伸缩材料：镍铁合金等。 形状记忆材料：镍钛合金等。 其它：特殊功能聚合物、复合材料及人工构造薄膜材料、电流变液或磁流变液材料、纳米相材料等。 选用依据及实例： 具体设计时，应根据微型元器件的功能，选用能获取系统性能的材料。 例如、对于起制动作用的器件，应选用压电陶瓷、石英、镍钛记忆合金等材料；用做器件和衬底的绝缘层，则可选用硅的氧化层 或 等。,硅及其化合物 材 料,1、单晶硅； 2、多晶硅； 3、硅蓝宝石； 4、化合物半导体材料； 5、SiC薄膜材料。,导体、半导体及绝缘体,导 体：电阻率 半导体：电阻率 绝缘体：电阻率,常用材料的电阻率,硅材料特性,1、硅在集成电子线路和微电子器件生产中有着广泛的应用，主要是利用硅的机械特性和电学特性。 2、特殊的晶体结构使其具有各项异性，通过掺杂获得的p型硅和n型硅具有不同的导电性能和机械性能。 3、储量丰富，成本低；材质的内含杂质极少，易于提纯，纯型硅的杂质含量可降至十亿分之一，因而本身的内耗少，力学性能稳定。 4、硅材料质量轻，密度是不锈钢的 13.5。 5、弯曲强度高，为不锈钢的3.5倍。,6、硅的熔点高（1400 ），约为铝的两倍，高熔点使其具有良好的高温稳定性。 7、硅的热膨胀系数比钢小8倍，比铝小10倍。 8、具有很好的导热性，是不锈钢的5倍。 9、机械品质因数可高达 ，硅没有机械迟滞性能，是理想的传感器和致动器材料。 10、与微电子集成电路工艺兼容，易与微机械和微电子线路集成；便于实现批量化生产。,硅的晶体结构,对于硅的原子，硅的晶格几何结构并不均匀，但是硅基本上是面心立方体晶胞。典型的面心立方单位晶胞如图所示。,一个硅的单位晶胞有18个原子，其中8个原子在角部，6个原子在面上，4个原子在内部。,硅晶胞的主平面,前平面（100）、对角面（110）、倾斜面（111）,三个主平面（晶面）上的硅原子,硅材料的各向异性,（111）平面上相邻原子间的晶格距离最短，使该平面的原子间的吸引力大于其它两个平面。同时，该平面包含单位晶胞面心的四个原子的三个，因此，该平面晶体生长最慢，刻蚀等加工过程进行的也最慢。,单晶硅的生产,生产单晶硅盘或“硅片”的步骤如下： 原材料的准备和清理；高纯和多晶硅的生产；单晶硅的生长；单晶硅的机械加工。 硅原材料的制取 原料硅可以由原材料石英砂进行还原而制得。 这一提取过程在用碳作电极的电弧炉中进行，可以得到纯度为98的“冶金级硅”。,单晶硅的提纯 经过连续分馏、逆向反应及气化分离，可以得到固态的“电子级硅”，其纯度可达 :1，它可以作为单晶硅生产的原料。 单晶硅的生长或“拉制” 常用方法：Czochralski(简称为CZ法)和悬浮区法。,直拉单晶制造法（Czochralski，CZ法）是把原料多硅晶块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热融化 ，再将一根直径只有10mm的棒状晶种（称籽晶）浸入融液中。在合适的温度下，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。把晶种微微的旋转向上提升，融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定，就可以周而复始的形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶锭。当结晶加快时，晶体直径会变粗，提高升速可以使直径变细，增加温度能抑制结晶速度。反之，若结晶变慢，直径变细，则通过降低拉速和降温去控制。拉晶开始，先引出一定长度，直径为35mm的细颈，以消除结晶位错，这个过程叫做引晶。然后放大单晶体直径至工艺要求，进入等径阶段，直至大部分硅融液都结晶成单晶锭，只剩下少量剩料。,控制直径，保证晶体等径生长是单晶制造的重要环节。硅的熔点约为1450，拉晶过程始终保持在高温负压的环境中进行。直径检测必须隔着观察窗在拉晶炉体外部非接触式实现。拉晶过程中，固态晶体与液态融液的交界处会形成一个明亮的光环，亮度很高，称为光圈。它其实是固液交界面处的弯月面对坩埚壁亮光的反射。当晶体变粗时，光圈直径变大，反之则变小。通过对光圈直径变化的检测，可以反映出单晶直径的变化情况。自动直径检测就是基于这个原理发展起来的。,硅 CZ 法提纯原理,单晶硅的机械加工,硅的掺杂,N型硅和P型硅半导体材料,P型硅是在纯硅材料中加入了硼（B）原子：由于B原子外面带有3个正电荷，这样当两种原子结合到一起形成共价键时，产生空穴。 N型硅是在纯硅材料中加入了砷（As）或磷（P）原子：由于硅原子外面为带有4个正电荷，而As或P原子外面带有5个正电荷，这样当两种原子结合到一起形成共价键时，产生游离电子。 掺杂破坏的纯硅材料电子的平衡，促使电子流动加剧，导电性能得到提高。掺杂浓度越高，电阻率越低，越容易导电，,多 晶 硅,多晶硅是许多单晶(晶粒)的聚合物。这些晶粒的排列是无序的，不同晶粒有不同的单晶取向，而每一晶粒内部有单晶的特征，因而在热分析和结构分析时可看作各向同性材料。 晶粒与晶粒之间的部位叫晶界，晶界对其电特性的影响可以通过控制掺杂原子浓度来调节。现就多晶硅的电阻率、电阻温度系数及电阻应变灵敏系数与掺杂原子浓度的关系论述如下。,电阻率随掺B原子浓度的关系,多晶硅膜的电阻率比单晶硅的高，特别是在低掺杂原子浓度下，多晶硅电阻率迅速提高。随掺杂原子浓度不同，其电阻率可在较宽数值范围内变化。,电阻温度特性随掺杂原子浓度的关系,多晶硅电阻随温度的变化特性,电阻温度系数随掺杂原子浓度的关系,多晶硅电阻应变灵敏特性,压缩时，电阻下降，拉伸时，电阻上升。 电阻应变灵敏系数 随掺杂浓度的增加 而略有降低。,多晶硅电阻应变灵敏系数与 掺杂原子浓度的关系,由图可知，电阻应变灵敏系数随掺杂浓度的增加而略有下降。 其中G1是纵向应变灵敏系数，最大值约为金属应变计最大值的30倍，为单晶硅电阻应变灵敏系数最大值的13。 Gt为横向应变灵敏系数，其值随掺杂浓度出现正负变化，故一般都不采用。,多晶硅的特点,1、具有较宽的工作温度范围（60度300度）； 2、可调的电阻率特性； 3、可调的的温度系数； 4、较高的应变灵敏系数及容易调整。 5、与单晶硅压阻膜相比，多晶硅压阻膜可以在不同的材料衬底上制作(如在介电体 ),而且可以更有效地抑制温度漂移，有利于长期稳定性的实现。,多晶硅敏感电阻压力传感器,多晶硅压阻膜压力传感器输出特性,硅蓝宝石（SOS）,硅蓝宝石材料是通过外延生长技术将硅晶体生长在蓝宝石（ ）衬底上形成的。硅晶体可以认为是蓝宝石的延伸部分，二者构成硅蓝宝石SOS晶片。,硅蓝宝石特点,1、蓝宝石材料为绝缘体； 2、蓝宝石材料的迟滞和蠕变小到可以忽略不计； 3、蓝宝石化学稳定性好，耐腐蚀，抗辐射性能 强； 4、蓝宝石机械强度高。 5、硅蓝宝石材料又脆又硬，其硬度仅次于金刚 石，制作工艺技术比较复杂。 （所以利用硅蓝宝石可以制作出具有耐高温、耐腐蚀及抗辐射等优越性能的传感器和电路）,SiC 薄膜材料,SiC是一种特殊环境下使用的化合物半导体。它由碳原子和硅原子组成，利用离子注入掺杂技术将碳原子注入单晶硅内，便可以获得优质的立方晶体结构的SiC。 特点：具有优异的物理、化学及电学性能，高强度（是单晶硅的3倍）、大刚度、内部的残余应力很低，较高的压阻系数，熔点高（2300 ）。因此，SiC材料能在高温下耐腐蚀、抗辐射，非常适合于高温、恶劣环境下工作的微机电系统的选择使用。 由于SiC单晶材料成本高、硬度大及加工难度大，所以以硅单晶片为衬底的SiC薄膜就成为研究和使用的理想选择。与单晶SiC薄膜相比，多晶SiC的适用性更广。,压电材料,压电效应 压电材料的主要属性是，其弹性效应和电极化效应在机械应力或电场（电压）作用下将发生相互耦合，也就是应力应变电压之间存在内在联系。 正压电效应 在机械应力作用下，将机械能转换为电能。 逆压电效应 在电压作用下，将电能转换为机械能。,压电效应的机理分析,当压电材料在外力作用下产生变形时，会引起它内部正负电荷的转移而产生电极化，使两个相对表面出现符号相反的束缚电荷，外力消失，晶体又恢复不带电的原始状态，产生正压电效应。 当对压电材料施加电场作用时，会引起材料内部正负电荷中心的相对位移，导致材料变形，产生逆压电效应。,压电材料的特点及应用,压电材料可以大块使用也可以小块分散使用，利用正压电效应感知外界的机械能，可以制作微传感器；利用逆压电效应作为驱动力，可以制作压电微执行器。 由于压电材料的的变形量十分微小，一般仅在几个nm/v，单个压电元件的变形量约为总长度的0.1%0.2，这在需要精密定位的微操作器中很有意义。 压电材料作驱动器时，它的激励功率小，响应速度较快，是形状记忆合金的一万倍。压电器件可做得很薄，且组合灵活。,常用压电材料,1、石英晶体,a)石英晶体是绝缘体，在其表面沉积金属电极引线，不会产生漏电现象； b)材质纯、内耗低及功耗小、机械品质因数的理想值高，迟滞和蠕变极小； c）材质轻，密度为不锈钢的0.3倍，弯曲强度为不锈钢的4倍； d）主要用来制造谐振器、振荡器及滤波器等。,石英的化学组成为SiO2，SiO2的晶体形式即石英晶体。石英晶体的理想形状为六角锥体，Z轴为光轴、Y轴为机械轴、X轴为电轴。石英晶体是各向异性材料，不同晶向具有各异的物理特性。石英晶体又是压电材料，其压电效应与晶向有关。,2、压电陶瓷,陶瓷材料是以化学合成物质为原材料，经过精密的成型烧结而成。烧结前，严格控制合成物质的组份比，便可以研制成适合多种用途的功能陶瓷，如压电陶瓷（电致伸缩材料）、半导体陶瓷、导体陶瓷、磁性陶瓷及多孔陶瓷等。 压电陶瓷是陶瓷经过电极化之后形成的，电极化之后的压电陶瓷为各向异性的多晶体。,压电陶瓷的特点,用于致动器和传感器元件的压电陶瓷，具有价廉、质轻小巧、易于与基体结合、响应速度快等优点。此外，它对结构的动力学特性的影响很小，并且通过分布排列可实现大规模的结构驱动，因而具有较强的驱动能力和控制作用。 由于压电陶瓷具有微小位移且精度高这一突出优势，适应微机械、微机器人微小位移控制的要求，用作压电驱动器是比较理想的。,常用的压电陶瓷 钛酸钡（BT）、锆钛酸铅（BZT）、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅（PN）、铌酸铅钡锂（PBLN）、改性钛酸铅等。 压电陶瓷的极限应变小，目前还不能作为结构材料。,磁致伸缩材料,某些铁磁性合金，在外磁场作用下，其体内自发磁化形成的各个磁畴的磁化方向均转向外磁场的方向，并成规则排列而磁化，使体内结构发生应变，伸缩量一般很小， 约为 数量级。这种由于磁而产生应变的现象称为正磁致伸缩效应；反之，磁化的铁磁体在应力作用下产生应变时，其磁畴的结构也将发生变化，使材料体内磁通密度发生变化，形成逆磁致伸缩效应。 磁致伸缩材料在磁场中的伸缩量很小，可以用在微机电系统中作为驱动器（磁机转换）和接收器（机磁转换）等。,磁致伸缩换能器,为了获得由驱动器向接收器的最佳能量传递，磁致伸缩效应器件通常设计在其谐振点上工作，因此，设计这类器件主要考虑其振动特性。磁致伸缩换能器工作原理如图所示。,磁致伸缩材料的特点 具有较高的饱和磁致伸缩系数，即当磁化饱和时，材料沿磁化方向的伸缩比 较大，其值约为 微应变。 常用磁致伸缩材料 纯镍（Ni）和含68Ni的铁镍合金，含13Al的铁铝磁性合金。镝铽铁合金（Terfenol-D）是最理想的磁致伸缩材料，其在磁场中的伸缩量是其它磁致伸缩材料伸缩量的40倍，并且有较快的响应速度。,形状记忆合金,形状记忆合金（SMA）是一种具有记忆功能的金属材料，即在制作元件时，赋予它一定的形状。在较低温度下，它会改变这种形状；当温度升高到原来温度时，它又会恢复到原来形状。 形状记忆特性的本质是材料的热弹性通过马氏体相变，将热能转变为机械能。 可以通过电流加热的方式，形状记忆合金能发出很大的力，适用于制作制动器或驱动器，如微阀、微泵等。,形状记忆合金的应力应变特性,热弹性相变与温度、应力及应变有关。在低温或高温状况下，卸载过程结束时，均无残余的非弹性应变，而呈现出完全弹性。,形状记忆合金的特点,形状记忆合金的记忆性随合金材料的不同而不同。最大可恢复应变的记忆上限为15，即形状的变形程度达到原形的的15时，还能“记住”原先的的外形，只要通过加热，形状即可恢复。超过15时，“记忆”将不再现。 形状记忆合金的电阻率较大，故常采用电流加热方式。在恢复其“记忆”形状的过程中，形状记忆合金能发出很大的力，适用于制作致动器或驱动器。如微泵、微阀等 由于形状记忆合金的动作依靠加热和冷却，因此，形状记忆合金的驱动器的响应时间比压电材料驱动器长，但压电材料最大可恢复应变只有1。 形状记忆合金的的最大缺点是要有热源，长期使用会产生蠕变，因此，使用时要注意寿命期限。,形状记忆合金的常用材料,在形状记忆合金材料中，镍钛合金（TiNi）为高性能形状记忆合金材料，具有良好的耐疲劳特性、抗腐蚀性以及较大的可恢复应变量（810）。铜基形状记忆合金（ZnAlCu，NiAlCu等）的成本低，约为镍钛合金的1，但其最大可恢复应变只有4。,微系统驱动器件常用材料性能比较,微系统驱动件常用材料主要有压电材料、磁致伸缩材料及形状记忆合金。它们的制动能力来源于电致、磁致及热致产生的机械应变。其主要特点及差别如表所示。,电流变液和磁流变液材料,电流变液和磁流变液 电流变液和磁流变液是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，它会突然间变得很粘稠。,电流变液和磁流变液性能比较,虽然电流变液和磁流变液二者的物理性质相似，但实际性能却有明显差异。磁流变液与电流变液的塑性相似；但其屈服强度却明显高于后者高达80 kPa而电流变液的屈服强度仅为3kPa。 磁流变液对环境的适应能力强，不受加工和使用中混入的化学杂质的影响。在一40十125度环境下工作时，其屈服强度仅产生微小变化，且原料无毒对环境无污染。 电流变液对于生产环境要求相当苛刻，须严格的质量控制。另外，相同的配比，不同批的电流变液产品，在性能上会表现出较大的差异。电流变液还有另一大缺点，就是使用的电压很高，高达几干伏具有一定的危险性。 鉴于此，磁流变液的应用倍受关注。现巳生产出多种标准的磁流变液产品，可用做减振降噪、衰减结构及损伤愈合等方面的制动器件。,膨胀合金,膨胀合金是指在一定温度范围内具有特殊的线膨胀系数的合金。膨胀合金在微机电系统中，多用作它的线膨胀系数一致或接近的其它的材料进行匹配封接，以减小热应力发生的可能。 铁镍低膨胀合金、铁、镍、钴及玻璃封接合金、铁镍钴瓷封合金等。,金刚石材料,金刚石（钻石晶体形状的碳）形成与制备 天然金刚石，形成于数百万年前压力极大、温度极高的地壳深处。而人工合成钻石是在巨大的水压中，利用碳（石墨）和金属催化剂制造而成。 金刚石（钻石）的特点 材质坚硬、耐强酸强碱腐蚀、耐磨及抗辐射，是一种极佳的热导体，其散热效果比硅还要强10多倍。 金刚石（钻石）在微系统中的应用 金刚石主要用来制备具有相对运动的活动接触零部件。以及采用化学气相淀积工艺，在微结构的活动接触表面上形成一层金刚石涂层的方法，以增强耐磨性和耐环境的化学侵蚀。,金刚石材料的应用背景,硅及其化合物材料，如单晶硅、多晶硅、二氧化硅及氮化硅，因为它们具有很好的机械性能和工艺性能在微机电系统中被经常使用，但是在某些场合，如旋转电机、微齿轮及接触探头等具有相对运动的活动接触部件，采用硅及其化合物材料，容易磨损。在此情况下，选用摩擦系数小、耐磨性能好的材料，对于改进活动微结构的性能就非常重要。其中金刚石就是一种优选材料。,纳米相材料简介,纳米材料，包括纳米金属、纳米半导体、纳米陶瓷及其他纳米固体材料，与常规的金属、半导体、陶瓷及其他固体材料一样，都是由同样的原子组成的，只是这些原子排列成了纳米级的原于团，成为组成纳米材料的结构粒子或结构单元。 常规材料中的基本颗粒的直径小到几微米，大到几mm，包含几十亿个原子；而纳米材料中的基本颗粒的直径不到100 nm，包含的原子不到几万个。一个直径3nm的原子团，大约包含900个原子，几乎是书中个句点的百万分之一，相当于一条30多米长的帆船与地球的比例。 纳米材料中基本颗粒的微小尺寸效应，致使材料中的结构颗粒或原子团大多数是不存在位错的，因而大大减少了材料内部的缺陷；因此，纳米材料对机械应力、光、电及磁的反应完全不同于由微米级或mm级结构颗粒组成的常规材料，在宏观上表现出异乎寻常的特性。例如，常规的陶瓷脆而易碎，变成纳米相形式后就有了塑性，发生较大形变也不会裂成许多碎片，且可进行切削加工。原因是，nm级晶粒之间不存在位错；相互之间滑动起来容易形变。又如，纳米相铜的强度比常规相铜的强度高出5倍。,纳米相材料的未来,纳米材料是当今世界范围的研究热点，但它的科学史迄今只有40余年，尚处在发展的初期。尽管纳米材料涉及的范围很宽，但目前报道较多的，集中在陶瓷材科和金属间化合物方面。随着研究的深入，人们会找到更有效的方法，在原子级上控制物质的结构，更透彻地了解它们的特性，设计和制造出适应各种需要的纳米材料。纳米相材料在未来的材料技术中将发挥越来越重要的作用。也可以预见，未来的纳米金属材料、电子材料、光子材料及其它固体材料的开发和生产，对于制造高性能的微机电器件、光电器件、传感器件、制动器件、微机电系统以及微机光电系统，必将产生深远的影响。,第三部分 微机械制造技术,尺寸特征对制造加工的要求,微机电系统的整体尺寸一般在cmmm量级，单个元件尺寸则在几百微米以下，最小加工尺寸达微米至亚微米级，最高尺寸精度达nm级。特征尺寸如此微小的元器件，其制作不能采用传统的精密机械制造方法，而应采用以腐蚀和表面显微加工为基础的微米和纳米制造技术，统称为微机械制造(加工)技术。,微机械制造技术概述,微米和纳米加工技术目的主要分为硅微机械加工技术、LIGA技术、特种精密制造技术及固相键合技术。用这些技术可以制作出层与层之间差别很大的各种微结构及器件，包括膜片、弹性梁、探针、孔、槽、锥体、空腔、叉指结构、齿轮及阀门等，这些微机械结构和器件与特殊用途的薄膜和高性能的微电子线路相综合，就能制成多种多样的微传感器和微执行器，并可组成微机械电子系统，实现不同用途的测量和控制。,微机械制造技术的分类,硅微机械制造技术 体型微加工技术（化学腐蚀、离子刻蚀）。 表面微加工技术（薄膜生成技术、牺牲层技术）。 LIGA技术和SLIGA技术 X光深度同步辐射光刻、电铸制模及注模复制。 SLIGA技术由牺牲层技术和LIGA技术结合而成。 特种精密机械制造技术 激光精密加工和微放电加工技术。 固相键合技术 阳极键合、硅硅直接键合、玻璃封接键合、金属共熔键合、冷压焊键合。,硅微机械制造技术,硅微机械制造技术的基本工艺： 照相平版印刷技术（光刻）、氧化硅热生长、化学腐蚀、电化学腐蚀、离子刻蚀、化学气相淀积、物理气相淀积、扩散与注入、外延生长、牺牲层技术、阳极键合及硅硅键合等。 这些工艺的不同组合，形成了硅体型微加工技术、表面微加工技术及硅片结合技术等。,体型微加工技术,体型微加工技术的作用 主要利用专门的腐蚀技术刻蚀出三维微结构。 常用方法 1、化学腐蚀 a)各向同性腐蚀，b)各向异性腐蚀、c)腐蚀 停止技术。 2、离子刻蚀,物质的原子结构,物质的原子结构,元素周期表,物质元素的本性,1、在周期表中每种元素包含特定数目的质子，没有任何两种元素的质子数是相同的。 2、包含相同外层电子数的元素具有相似的 性能。 3、外层具有8个电子的元素是稳定的。 4、一种原子倾向于寻找其它原子结合形成 满的外层电子层，即在外层具有8个电子。,物质的分子结构,分子间力随间隔的变化,化学腐蚀和离子刻蚀,腐蚀与刻蚀的定义： 腐蚀（刻蚀）是对材料的某些部分进行有选择的去除的工艺。 腐蚀方法大致分为两种： 化学腐蚀和离子刻蚀。 化学腐蚀：利用化学腐蚀液进行腐蚀加工。 离子刻蚀：利用惰性气体进行腐蚀加工。,化 学 腐 蚀,1、硅的各向同性腐蚀： 普遍采用氧化剂氮酸氢、去除剂氢氟酸、稀释剂水或是乙酸的混合成的腐蚀剂（HF-HNO3腐蚀系统）。腐蚀中改变腐蚀剂的成分配比、掺杂浓度及温度，可以获得不同的腐蚀速率。 2、硅的各向异性腐蚀： 常用的腐蚀剂有乙二胺、联氨等和水。腐蚀速度取决于腐蚀晶向、掺杂原子浓度和温度。,各向同性腐蚀,湿法各向同性腐蚀多用在完成以下的工艺过程： 清除硅表面上的污染或修复被划伤了的硅 表面； 形成单品硅平膜片； 形成单晶硅或多晶硅薄膜上的图案，以及 圆形或椭圆形截面的腔和槽等。,各向同性腐蚀的化学反应,使用HF-HNO3腐蚀系统，硅表面发生化学反应： 形成两种可溶性物质。 上述腐蚀剂中用水作为稀释济。和水相比，用乙酸作为稀释剂会更好些。因为乙酸是弱酸，电离度较小，可在更宽范围内起稀释作用，并保持HNO3的氧化能力，使腐蚀液的氧化能力在使用期内相当稳定。,硅等腐蚀线图,各向异性腐蚀,硅晶面上的基准面位置,各向异性腐蚀机制,硅在不同晶面上的晶胞密度不同。 使硅表面原子氧化所需要的能量与硅表面上未成对的每个原子悬挂键的密度有关。（100）面上每个硅原子有2个悬挂键，而（111）面上每个硅原子只有1个悬挂键，故（100）面腐蚀速率快。,硅的各向异性腐蚀机理,硅在不同晶面上的晶胞密度可能是造成各向异性腐蚀的主要原因。(111)面上的晶胞堆积密度大于(100)面，所以(111)面的腐蚀速率比预期的要慢。另一可能的因素是：使硅表面原子氧化所需要的能量。这与硅表面上未成对的每个原子悬挂键的密度有关。(100)面上每个硅原子有2个悬挂键，可以结合2个 ；而(111)面上每个硅原子则仅有1个悬挂键，故(100)面比(111)面的腐蚀速率快。而相应的背键(与次表面硅原了结合的SiSi键，简称背键)数，(111)面上有3个，(100）面上有2个；因此(111)面上使硅原子氧化需打断3个背键，所以(111)面的腐蚀速率比预期的更慢。还有，(111)面较(100)面更容易产生自身预钝化效应，这也是导致(111)面腐蚀速率，慢上加慢的一个重要原因。,单晶硅的晶面腐蚀特性,单晶硅为各向异性体，其化学腐蚀特性也是各向异性的，腐蚀速率： 一般而言，腐蚀速率(100)/(111)面大约为400:1。而（110）面的腐蚀速率则介于二者之间。 （111）面腐蚀速率低的原因： 晶胞密度大；悬挂键少，导致使硅表面原子氧化所需要的能量小； 背键多（(111)面上使硅原子氧化需打断3个背键）；容易产生自身预钝化效应。,各向异性腐蚀剂,由于 腐蚀液的毒性小，又易操作，并能腐蚀出良好的表面，故常被采用。和各向同性腐蚀一样，其腐蚀机理就是对 硅进行氧化，反应式为：,腐蚀过程,各向异性腐蚀前，先在硅表面上覆盖一层 或 ，作为掩模；然后刻出掩模窗口使硅暴露出来；再利用腐蚀液对硅衬底的表面进行纵向腐蚀。对于（100）晶面，腐蚀出的是V形槽。,腐蚀事项,1、腐蚀速率不仅取决于晶向，还受腐蚀剂种类和其成分配比、掺杂原子浓度及温度等因素影响； 2、根据腐蚀液的种类，选择掩模的类型。,腐蚀停止技术,1、腐蚀停止与掺杂原子浓度的关系 在各向同性腐蚀中，掺杂浓度越高，则腐蚀速率越快，当掺杂浓度小于某一数值时，腐蚀速率基本停止。 而在各向异性腐蚀中，掺杂浓度对腐蚀速率的影响恰恰相反。掺杂浓度越低，腐蚀速率越高；当掺杂浓度高于某一数值时，腐蚀速率将基本停止。 结论： 只要在单晶硅表面进行硼重掺杂，就可以使重掺杂区的腐蚀速率远小于其他非重掺杂区域，从而使腐蚀自动停止在两者的交界面上。 但由于重掺杂层具有较大的内应力，使其应用受到限制。,相对腐蚀速率与掺杂原子浓度关系,2、电化学（阳极）腐蚀停止技术 用电化学腐蚀时，接硅的电极称为工作电极，加正电压；另一电极是负极，称为辅助电极。由于在硅与溶液界面处的硅表面上堆积有空穴，故在外接电压作用下，硅将不断被腐蚀，并生成可溶性硅氧化物离开硅表面，实现被腐蚀的目的。,N 型硅的电化学腐蚀,利用电化学腐蚀方法制备硅膜片 对于HF各向同性腐蚀液，由于重掺杂的硅衬底比生长在其上的轻掺杂硅层的电导率高，故重掺杂层能更快地被腐蚀掉。这项技术已成功地应用于掺杂结构的腐蚀成型。如图所示，在重掺杂的NSi衬底上，外延一层轻掺杂的NSi，称其为NN结构。用HF腐蚀液除去在轻掺杂NSi层上的重掺杂部分，即可形成NSi膜片。 腐蚀条件为： 电解液为5HF水溶液；溶解液温度为室温；全暗室环境；正极接硅片，负极接铂(Pt)片；正、负电极的间距为5cm；电压为10 V。,电化学腐蚀法制备硅膜片的过程,开路电势和钝化电势,开路点势：电流为时的电势。 钝化电势：电流最大点处的电势。 应用：当在型硅和型硅个钝化电势之间加一个电压时，就可以期望只使型硅腐蚀，而型硅不受到腐蚀。,P 型硅的电化学腐蚀,阳极电流记录特性,P-N 结腐蚀停止4电极系统,由于材料存在漏电，漏电流使P型硅在溶液中极化，当达到钝化电势时，腐蚀将提前停止在P型硅上，为避免此现象，采用4电极结构。,化学腐蚀与离子刻蚀,硅晶片上，用光刻胶和掩模形成图案，然后在腐蚀液中进行腐蚀；但对于高精度图案，特别是侧面垂直度要求严格的图案，化学腐蚀法很难达到预期的效果。采用离子刻蚀，包括等离子体刻蚀、反应离子刻蚀等干刻蚀法，便可实现较高的刻蚀精度。,离子刻蚀,离子刻蚀是利用气体的等离子体生成物或者溅射进行刻蚀的。刻蚀步骤如下： 1、刻蚀用气体在足够强的电场作用下被电离，产生离子、电子及游离原子等刻蚀类物质。 2、刻蚀类物质穿过停滞气体层（气体屏蔽层），扩散在被刻蚀晶片的表面上，并被表面吸收。 3、随后便产生化学反应刻蚀，如同离子轰击。反应生成的挥发性化合物由真空泵抽出腔外。,刻蚀结果的影响参数,影响刻蚀结果的参数很多，其中气体成分是最主要的因素。以往常用氩气，现在多用氟氯烷烃，其刻蚀速度比用氩气快若干倍。,等离子刻蚀的机理,等离子体是一种携带大量自由电子和正离子的中性离子化气体。激发等离子体一般采用射频电源。活性气体在等离子体中被离子化后会产生活性中介子。活性中介子能够轰击侧壁和正表面，而带电离子只能轰击基底的正表面。,等离子体刻蚀装置原理图,2片弧状电极结高频电源（RF），被刻蚀的试件放在托架上，容器内部产生的等离子体如箭头所指方向扩入被刻蚀试件周围进行刻蚀，反应生成的挥发物由真空系统抽出。,基等离子体刻蚀,采用CF4惰性气体产生等离子体，有多种分解生成物存在（如图）。其中被激活的F（氟）有极强的化学活性，可以和处在等离子体中的物质如Si,SiO2及Si3N4等发生如下反应进行刻蚀：,反应离子刻蚀装置原理图,被刻蚀的试件放在阴极板上，高频电源（RF）作为阴极电源，使充入的惰性气体离子化。极板冷却形式为循环水冷。其刻蚀原理为：反应溅射等离子体化学反应，即既有离子的轰击效应，又有活性游离基与被刻蚀试件的化学反应，应此可以达到较高的刻蚀速率，并能得到较垂直的侧面轮廓。,几种刻蚀方法的比较,表面微加工技术,1、薄膜生成技术 a)物理气相淀积技术（PVD） 真空蒸镀、溅射成膜（直流溅射、射频溅射）。 b)化学气相淀积技术（CVD） 常压化学气相淀积法、低压化学气相淀积法、等离子强化化学气相淀积法。 2、牺牲层技术,薄膜生成技术,在微机电器件的制作中，常采用蒸镀和淀积等方法，在硅衬底的表面上制作各种薄膜，并和硅衬底构成一个复合的整体。这些薄膜有多晶硅膜、氮化硅膜、二氧化硅膜、合金膜及金刚石膜等。 可作为敏感膜；作为介质膜起绝缘作用；作为衬垫层起尺寸控制作用；也可以用作起耐腐蚀、耐磨损的作用。,物理气相淀积和化学气相淀积是在衬底材料上制作薄膜的2种常用的工艺技术。 物理气相淀积： 是利用蒸镀和溅射的方法使另一种物质在衬底材料表面上成膜。 化学气相淀积： 是使气体与衬底材料本身在加热的表面上进行化学反应，使另一种物质在表面上成膜。,物理气相淀积技术,真空蒸镀 在真空室内有一钨丝绕制的螺旋形加热器，待蒸发的金属丝挂在钨丝上，当抽到真空度达0.0133Pa以上时，逐渐加大电流，是金属丝熔化、蒸发。由于真空室内残留的气体分子很少，故金属原子不经碰撞即可到达衬底表面，凝聚成膜。,溅射成膜,1、直流溅射 采用低真空室，高压直流 电（通常1000）。低压惰性气体（氩气）电离形成等离子体，等离子体中的正离子以高能量轰击靶面。使靶上待溅射物质的原子离开靶面，淀积到衬底表面，形成薄膜。 直流溅射能制出金属膜和 化合物膜，但不能溅射介 质膜。,、射频溅射,特点： 电源采用高频(530MHz)交流电压(12KV）。电子的快速运动，使靶面上形成负电荷积累，形成一个自建磁场，磁场使正离子运动速度加剧，并以较大能量轰击靶面，形成靶材原子的溅射淀积而成膜 不仅能溅射合金薄膜，也能溅射介质膜。,带附加磁场的射频溅射装置,特点： 附加磁场的作用使靶和工作台之间辉光放电，使带电粒子做螺旋运动，提高了电子与气体分子的碰撞机率和速率，从而提高了溅射薄膜的均匀性。,化学气相淀积技术,化学气相淀积法就是利用高温条件下的化学反应生成薄膜。 主要的生成反应过程为： 使含有待淀积材料的化合物升华为气体，与另一种载体气体或化合物在一个高温反应室中进行反应，生成固态的淀积物质，使之淀积在加热至高温的衬底上，生成薄膜。反应生成的副产品气体，由表面脱离，扩散逸出。,化学气相淀积方法,1、常压化学气相淀积法 该方法是在大气压的反应室内进行化学反应，通常反应温度为5001200 ，反应气体A和B的分子中含有待淀积物质的分子。经混合、加热后，两种气体发生化学反应，产生单质或化合物，淀积到衬底上，形成薄膜。,2、低压化学气相淀积法,工作原理与常压CVD法相同，只是在反应室内保持低压强（约100010Pa），而不是大气压。压强的降低意味着减少载流气体，而生成薄膜所必需的反应气体量和压强与大气压时相同，从而使反应室内的反应气体相对增加，有利于形成更加均匀的薄膜。,3、等离子强化化学气相淀积法,原理：利用直流或射频高压电使通入反应室的气体（氧气）电离，而等离子化，使之辉光放电。借助于气体电离、热效应及光化学反应等过程，促进淀积反应和薄膜生成。 特点：反应只需在较低的温度（350400 ）下进行。如：,等离子强化CVD环形装置及原理,该装置不需要高压电极和靶，设备较简单，介质膜Si3N4常用这种装置制造。射频电压经一对射频电极通过电容耦合加到反应室。反应过程中，反应气体为硅烷（SiH4）和联氨（N2H4）。气体放电时产生的高温使气体分解，化学反应后生成的Si3N4淀积在衬底上形成薄膜。,外延工艺,外延工艺 是获得硅单晶膜的一种化学气相淀积工艺。 工艺过程： 以硅单晶片本身为衬底，以含硅化合物如硅烷（SiH4）或四氯化硅（SiCl4）等分解或用氢气还原，生成单质硅淀积在硅衬底上。 淀积过程在外延反应炉中进行。如：,牺牲层技术,在体型结构的表面上，为了获得有空腔和可活动的微结构，常采用“牺牲层”技术。即在形成空腔结构过程中，将2层薄膜中的下层薄膜设法腐蚀掉，便可得到上层薄膜，并形成一个空腔。被腐蚀掉的下层薄膜在形成空腔过程中，只起分离层作用，故称为牺牲层。,多晶硅悬臂梁的工艺成型,硅梁制造过程,H型谐振梁式压力传感器芯片,LIGA 技术和 SLIGA 技术,LIGA技术（德国喀尔斯鲁厄核研究中心最先发明） 是德国斯图加特微机械研究所开发的一种很有特色的微机械加工技术，它由X光深度同步辐射光刻、电铸(镀)制模和注(压)模复制三个主要工艺步骤组成。 特点： 可以用来制作具有较大高宽比的三维立体结构，不仅可以制造硅结构，而且还可以加工各种金属、合金、陶瓷、塑料及聚合物等材料。 SLIGA技术： LIGA技术的局限性是，只能制作没有活动件的3维微结构。为了能制出含有可活动件的3维微结构，把牺牲层技术应用于LIGA技术中，形成了SLIGA技术。,LIGA 光刻机,LIGA 工艺中的主要制作步骤,LIGA 制备工艺应用实例,X 光深度同步辐射光刻的形成,深度同步辐射光刻是LIGA技术的核心工艺，只有刻蚀出比较理想的抗蚀剂图形，才能保证后续工艺步骤的质量。,利用电铸工艺成型金属微结构,电铸工艺就是在上述的初级模板中淀积需要的金属（如Ni、Au、Ag、Pt或合金），便可制成与模具互为凹凸的3维微结构。它可以是最终产品，或作为注塑模。,注塑模的形成,注塑则是用电铸得到的金属微结构作为2次模板。模板制备如图，如在模板中注入塑性材料，便可以得到塑性微结构件。,SLIGA技术制作活动微结构的基本工艺,特种精密机械制造技术,由于MEMS器件和结构的复杂性，使得对加工工艺的要求干变万化，前面几节介绍的微加工工艺还不能完全满足加工需要。因此，世界各国都在发展各种新的微加工工艺，其中也包括将传统的加工工艺进行改进后用于微机械加工。 下面对较常见的部分微加工工艺作简要的介绍。,电火花加工工艺,电火花加工(EIectrical Discharge Machining，EDM)是加工金属、合金和其他导电材料的有效工艺手段，其工作原理是通过电火花融化和蒸发被加工的金属材料。加工电极端面的形状可以通过EDM反刻在被加工工件上。 另外也可以通过加工电极或工件的三维运动加工出空间曲面等复杂结构，这时需要采用微型加工电极。考虑到加工电极在加工过程中会有损耗而影响加工精度，人们又发明了线放电磨削(Wire EIectrodischarge Grinding, WEDG)工艺。该工艺是将加工电极由滑动的金属细线代替，使整条细线上的各个部位均匀消耗，从而大大减小电极尺寸变化。,EDM反刻工艺,激光精细加工,激光精细加工是利用强聚焦激光高温加热使被加工材料产生化学反应而被腐蚀、蒸发。其最大优点是可以通过移动光束实现直接加工，而无需采用光刻工艺。 激光微细加工系统可对硅、塑料、玻璃、陶瓷、金属薄膜等多种材料进行加工，精度可以做到微米级。 通常激光精细加工系统包括有紫外或可见光激光器、精确的光路系统、运动调节平台等。,激光在铜上刻字,激光在硅片或陶瓷上打孔,固相键合技术,固相键合技术是利用各种接合工艺，把若干具有平面结构的零件重叠接合在一起，构成三维微结构部件。 常用的接合方法有：阳极键合、热熔键合、共熔键合、低温玻璃键合及冷压焊接等。 常用的互连材料有：金属和硅、玻璃和硅、硅和硅及金属和金属。,连接中应满足的技术要求,1、残余热应力尽可能小； 2、实现机械解耦，以防止外界应力 干扰； 3、足够的机械强度和密封性； 4、良好的电绝缘性。,玻璃和硅的热膨胀特性,玻璃有多种，其膨胀系数各异，为了避免互连后产生热应力，必须选择膨胀系数相互接近的进行匹配连接。由图可知，其中