试谈用于MEMS与微系统的材料

第3章用于MEMS和微系统材料

1试谈用于MEMS与微系统的材料第1页3.1衬底微系统中，衬底使用目标有两个：支撑将机械动作转换为电输出或者反之转换器信号转化器(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材料：SiSiO2、SiC、Si3N4和多晶硅等试谈用于MEMS与微系统的材料第2页3.2.1SiSi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，是理想传感器和致动器材料

硅晶片上轻易制作涂层或者附加薄膜层硅衬底制作工艺非常成熟试谈用于MEMS与微系统的材料第3页3.2.2单晶Si必须采取单晶硅作为MEMS和微系统衬底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晶体

拉伸机不停迟缓提升

不停拉伸及沉积，形成单晶硅芯棒试谈用于MEMS与微系统的材料第4页3.2.2单晶Si(续)采取以上方法得到单晶硅棒直径可达300mm、长度可达30英尺、大约400千克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：300mmX750um5试谈用于MEMS与微系统的材料第5页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三维结构示意图原子数为12个原子数为18个6试谈用于MEMS与微系统的材料第6页3.2.4密勒指数密勒指数普通用来指定晶面和晶向一个平面与x、y、z相切

平面上一点P(x,y,z)符合另一个表现形式立方结构晶体中，a=b=c=17试谈用于MEMS与微系统的材料第7页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)8试谈用于MEMS与微系统的材料第8页3.2.5硅力学性能

硅晶体主要晶面特征(100)晶面包含最基本原子数，所以晶面最弱，最易被加工(110)晶面在微加工中可提供最洁净加工面(111)晶面上相邻原子间晶格距离最短，所以最难加工晶向密勒指数杨氏模量(GPa)剪切模量(GPa)<100>129.579.0<110>168.061.7<111>186.557.5(100)晶面与(111)晶面间角度为54.74°试谈用于MEMS与微系统的材料第9页3.2.6MEMS材料力学和物理性能屈服强度sy(109N/m2)E(1011N/m2)r(g/cm3)C(J/g-°C)k(W/cm°C)a(10-6/°C)TM(°C)Si7.001.902.300.701.572.331400SiC21.007.003.200.673.503.302300Si3N414.003.853.100.690.190.801930SiO28.400.732.271.000.0140.501700Al0.170.702.700.9422.3625660Stainlesssteel2.102.007.900.470.32917.301500Cu0.070.118.90.3863.9316.561080GaAs2.700.755.300.350.506.861238Ge1.035.320.310.605.80937Quartz0.5-0.70.76-0.972.660.82-1.200.067-0.127.101710杨氏模量质量密度比热容热导率热膨胀系数熔点10试谈用于MEMS与微系统的材料第10页3.3硅化合物

微系统中惯用三种硅化合物：SiO2SiCSi3N4试谈用于MEMS与微系统的材料第11页二氧化硅在微系统中三个主要应用：作为热和电绝缘体作为硅衬底刻蚀掩膜作为表面微加工牺牲层获取二氧化硅两种方法：干法氧化3.3.1二氧化硅

湿法氧化(通入蒸汽)特征数值密度(g/cm3)2.27电阻(W-cm)>1016电介质常数3.9熔点(°C)1700比热(J/g-°C)1.0热导率(W/cm°C)0.014热膨胀系数(10-6/°C)0.512试谈用于MEMS与微系统的材料第12页3.3.2碳化硅碳化硅含有很好高温尺寸和化学性质稳定性在高温下，碳化硅对氧化含有很强抵抗力，是适当掩膜材料碳化硅是生产单晶硅芯棒副产品，可经过各种沉积方法生产碳化硅膜试谈用于MEMS与微系统的材料第13页3.3.3氮化硅氮化硅能有效阻挡谁和离子扩散含有超强抗氧化和抗腐蚀能力，适于做深层刻蚀掩膜可用作光波导以及预防水和其它有毒流体进入衬底密封材料用作高强度电子绝缘层和离子注入掩膜试谈用于MEMS与微系统的材料第14页3.3.4多晶硅用CVD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含有随机尺寸和取向单晶硅集合，在热和结构分析时可看作各向同性试谈用于MEMS与微系统的材料第15页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改变现象应用于微传感器和致动器掺硼掺砷或磷P形硅和n形硅都含有优良压电电阻效应电阻改变与应力场间关系

试谈用于MEMS与微系统的材料第16页试谈用于MEMS与微系统的材料第17页=试谈用于MEMS与微系统的材料第18页P型硅最大压阻系数大于n型硅，所以许多硅压电电阻是由硼做掺杂物p型材料组成室温下<100>取向硅电阻率和压阻系数试谈用于MEMS与微系统的材料第19页硅压电电阻计电阻改变可经过下式表示：P型硅压电电阻在各个方向压阻系数试谈用于MEMS与微系统的材料第20页图1试谈用于MEMS与微系统的材料第21页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优异材料，因为电子迁移率高（是硅7倍），更加好促进电子电流流动材料300K电子迁移率高温下优异尺寸稳定性，可做良好热绝缘层屈服强度较低，是硅三分之一，极少用作衬底，价格高试谈用于MEMS与微系统的材料第22页GaAs和硅在微加工中比较试谈用于MEMS与微系统的材料第23页3.6石英几乎用作传感器理想材料，因为它含有几乎绝正确尺寸热稳定性商业应用包含手表、电子滤波器友好振器难加工，金刚石切削机HF/NH4FD等化学刻蚀商品直径75mm，100μm厚石英晶片高温尺寸稳定性强于硅，比硅柔韧试谈用于MEMS与微系统的材料第24页3.7压电晶体最惯用非半导体材料，固态陶瓷化合物，压电效应：在两边受到压力时，可产生一定电压，在晶体两端加上电压，改变晶体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动态信号转化器试谈用于MEMS与微系统的材料第25页1.应力产生电场其中其中2.电场产生机械应变试谈用于MEMS与微系统的材料第26页例题：1在硅悬臂梁微加速度计重，一片薄PZT压电薄膜用于信号转化，加速度计设计可测最大加速度为10g.PZT换能器位于悬臂梁支撑基底处。求最大加速度为10g时，PZT膜输出电压试谈用于MEMS与微系统的材料第27页3.8聚合物塑料、粘接剂、胶质玻璃和有机玻璃等各种材料机械强度低、熔点低和电导率差作为工业材料聚合物重量轻，工艺简单，原材料和生产聚合物工艺成本低，耐腐蚀性高，结构韧性高，形状稳定性高试谈用于MEMS与微系统的材料第28页3.8聚合物(续)用于MEMS和微系统聚合物光阻聚合物被用于生产掩膜，经过光刻在衬底上产生所要图形在LIGA工艺中被用于制作含有MEMS器件几何形状初模，以制造微器件部件导电聚合物可用于MEMS和微系统有机衬底铁电聚合物，其性质与压电晶体类似，可用于为器件中执行源试谈用于MEMS与微系统的材料第29页3.8聚合物(续)导电聚合物聚合物可经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薄膜是良好铁磁、热和压电性质候选材料铁电聚合物薄膜光特征可控涂层材料微传感器试谈用于