Chapter 3 用于MEMS和微系统的材料ppt课件

1 第3章用于MEMS和微系统的材料 3 1衬底 微系统中 衬底使用目的有两个 支撑将机械动作转换为电输出或者反之的转换器信号转化器 压力传感器 Si膜 硅梁 两种衬底材料用于微系统 活性衬底材料 空间稳定性 对于环境条件不敏感惰性衬底材料可用作为基板的材料 SiSiO2 SiC Si3N4和多晶硅等 3 2 1Si Si是地球上最丰富元素 主要以化合物形式存在单晶硅是用于MEMS和微系统最广泛衬底材料 力学性能稳定理想的结构材料 高杨氏模量 但重量轻熔点高 高温稳定性好热膨胀系数小没有机械迟滞效应 是理想的传感器和致动器的材料硅晶片上容易制作涂层或者附加薄膜层硅衬底制作工艺非常成熟 3 2 2单晶Si 必须采用单晶硅作为MEMS和微系统的衬底 Czochralski单晶硅提纯法粗硅 碳在石英坩埚中熔化将种晶放在拉伸机尖端 与熔化硅接触并形成更大的晶体拉伸机不断缓慢提升不断拉伸及沉积 形成单晶硅芯棒 5 3 2 2单晶Si 续 采用以上方法得到的单晶硅棒直径可达300mm 长度可达30英尺 大约400公斤用金刚石砂轮切成薄片晶圆标准尺寸 4英寸 100mmX500um 厚度 6英寸 150mmX750um8英寸 200mmX1mm12英寸 300mmX750um 6 3 2 3单晶Si结构 单晶硅基本为FCC结构基本认为各向同性 硅晶体的三维结构示意图 原子数为12个 原子数为18个 7 3 2 4密勒指数 密勒指数一般用来指定晶面和晶向 一个平面与x y z相切平面上的一点P x y z 符合 另一种表现形式 立方结构晶体中 a b c 1 8 3 2 4密勒指数 续 顶面 001 右面 010 前面 100 对角面 110 倾斜面面 111 3 2 5硅的力学性能 硅晶体主要晶面特征 100 晶面包含最基本的原子数 因此晶面最弱 最易被加工 110 晶面在微加工中可提供最洁净的加工面 111 晶面上相邻原子间晶格距离最短 因此最难加工 100 晶面与 111 晶面间的角度为54 74 10 3 2 6MEMS材料力学和物理性能 屈服强度 杨氏模量 质量密度 比热容 热导率 热膨胀系数 熔点 3 3硅化合物 微系统中常用的三种硅化合物 SiO2SiCSi3N4 12 二氧化硅在微系统中的三个主要应用 作为热和电的绝缘体作为硅衬底刻蚀的掩膜作为表面微加工的牺牲层获取二氧化硅的两种方法 干法氧化 3 3 1二氧化硅 湿法氧化 通入蒸汽 3 3 2碳化硅 碳化硅具有很好的高温尺寸和化学性质稳定性在高温下 碳化硅对氧化具有很强的抵抗力 是合适的掩膜材料碳化硅是生产单晶硅芯棒的副产品 可通过各种沉积方法生产碳化硅膜 3 3 3氮化硅 氮化硅能有效阻挡谁和离子的扩散具有超强抗氧化和抗腐蚀的能力 适于做深层刻蚀的掩膜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用作高强度电子绝缘层和离子注入掩膜 3 3 4多晶硅 用CVD的方法沉积到硅衬底上LPCVD 600 650 掺杂之后 可作为导体和控制开关多晶硅具有随机的尺寸和取向的单晶硅的集合 在热和结构分析时可看作各向同性 3 4硅压电电阻 压电电阻效应 固体在受到应力场作用使其电阻发生变化的现象应用于微传感器和致动器掺硼掺砷或磷的P形硅和n形硅都具有优良的压电电阻效应电阻的变化与应力场间的关系 P型硅的最大压阻系数大于n型硅 因此许多硅压电电阻是由硼做掺杂物的p型材料组成 室温下取向的硅的电阻率和压阻系数 硅压电电阻计的电阻变化可通过下式表示 P型硅压电电阻在各个方向的压阻系数 图1 3 5砷化镓 由等量砷原子和镓原子组成用于电子和声子器件在单个衬底单片集成的优秀材料 因为电子迁移率高 是硅的7倍 更好的促进电子电流的流动 材料300K的电子迁移率 高温下优异的尺寸稳定性 可做良好的热绝缘层屈服强度较低 是硅的三分之一 很少用作衬底 价格高 GaAs和硅在微加工中的比较 3 6石英 几乎用作传感器的理想材料 因为它具有几乎绝对的尺寸热稳定性商业应用包括手表 电子滤波器和谐振器难加工 金刚石切削机HF NH4FD等化学刻蚀商品直径75mm 100 m厚的石英晶片高温尺寸稳定性强于硅 比硅柔韧 3 7压电晶体 最常用的非半导体材料 固态的陶瓷化合物 压电效应 在两边受到压力时 可产生一定的电压 在晶体两端加上电压 改变晶体的形状 应用加高应力产生高电压 可作为碰撞引爆器件 还可用来发射信号探测深度 在MEMS和微系统上用于制动器和压力传感器及加速度计中的动态信号转化器 1 应力产生的电场 其中 其中 2 电场产生的机械应变 例题 1 在硅悬臂梁的微加速度计重 一片薄的PZT压电薄膜用于信号转化 加速度计设计的可测的最大加速度为10g PZT换能器位于悬臂梁的支撑基底处 求最大加速度为10g时 PZT膜的输出电压 3 8聚合物 塑料 粘接剂 胶质玻璃和有机玻璃等多种材料机械强度低 熔点低和电导率差作为工业材料的聚合物重量轻 工艺简单 原材料和生产聚合物工艺的成本低 耐腐蚀性高 结构的韧性高 形状稳定性高 3 8聚合物 续 用于MEMS和微系统的聚合物光阻聚合物被用于生产掩膜 通过光刻在衬底上产生所要图形在LIGA工艺中被用于制作具有MEMS器件几何形状的初模 以制造微器件部件导电聚合物可用于MEMS和微系统的有机衬底铁电聚合物 其性质与压电晶体类似 可用于为器件中的执行源 3 8聚合物 续 导电聚合物聚合物可通过三种方法变得导电热解掺杂加入导电纤维LB膜表面活性材料上涂挥发性溶剂 将各种化合物薄膜沉积到衬底上产生多层结构LB薄膜是良好的铁磁 热和压电性质的候选材料铁电聚合物薄膜光特性可控的涂层材料微传感器 3 9封装材料 微电子封装中 封装能