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1、1第第3 3章章 用于用于MEMS和微系统的材料和微系统的材料3.1 衬底衬底微系统中，衬底使用目的有两个：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 信号转化器信号转化器(压力传感器压力传感器-Si膜；硅梁膜；硅梁)两种衬底材料用于微系统：两种衬底材料用于微系统：活性衬底材料活性衬底材料-空间稳定性，对于环境条件不敏感空间稳定性，对于环境条件不敏感惰性衬底材料惰性衬底材料可用作为基板的材料：可用作为基板的材料：SiSiO2、SiC、Si3N4和多晶硅等和多晶硅等3.2.1 SiSi是地球上最丰富元素，主要以化合物形式存在
2、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单晶硅是用于MEMS和微系统最广泛衬底材料和微系统最广泛衬底材料力学性能稳定力学性能稳定 理想的结构材料，高杨氏模量，但重量轻理想的结构材料，高杨氏模量，但重量轻 熔点高，高温稳定性好熔点高，高温稳定性好 热膨胀系数小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没有机械迟滞效应，是理想的传感器和致动器的材料料 硅晶片上容易制作涂层或者附加薄膜层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硅衬底制作工艺非常成熟3.2.2 单晶单晶Sin必须采用单晶硅作为必须采用单晶硅作为MEMS和微系统的衬底和微系统的衬底nCzochr
3、alski单晶硅提纯法单晶硅提纯法l 粗硅粗硅+碳在石英坩埚中熔化碳在石英坩埚中熔化l 将种晶放在拉伸机尖端，将种晶放在拉伸机尖端，与熔化硅接触并形成更大的与熔化硅接触并形成更大的晶体晶体l 拉伸机不断缓慢提升拉伸机不断缓慢提升l 不断拉伸及沉积，形成单不断拉伸及沉积，形成单晶硅芯棒晶硅芯棒53.2.2 单晶单晶Si(续续)n采用以上方法得到的单晶硅棒直径可达采用以上方法得到的单晶硅棒直径可达300mm、长度可达长度可达30英尺、大约英尺、大约400公斤公斤n用金刚石砂轮切成薄片用金刚石砂轮切成薄片n晶圆标准尺寸：晶圆标准尺寸：l 4英寸：英寸：100mmX500um(厚度厚度)l 6英寸：英
4、寸：150mmX750uml 8英寸：英寸：200mmX1mml 12英寸：英寸：300mmX750um63.2.3 单晶Si结构n单晶硅基本为单晶硅基本为FCC结构结构n 基本认为各向同性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73.2.4 密勒指数n密勒指数一般用来指定晶面和晶向l 一个平面与x、y、z相切l 平面上的一点P(x,y,z)符合l 另一种表现形式立方结构晶体中，a=b=c=183.2.4 密勒指数密勒指数(续续)顶面:(001)右面:(010)前面:(100)对角面:(110)倾斜面面:(111)3.2.5 硅的力学性能硅的力学性能 硅晶体主要晶面特
5、征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，晶面包含最基本的原子数，因此晶面最弱，最易被加工最易被加工(110)晶面在微加工中可提供最洁净的加工面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，因此最难晶面上相邻原子间晶格距离最短，因此最难加工加工晶向密勒指数晶向密勒指数杨氏模量杨氏模量(GPa)剪切模量剪切模量(GPa)129.579.0168.061.7186.557.5(100)晶面与(111)晶面间的角度为54.74103.2.6 MEMS材料力学和物理性能屈服强度s sy(109N/m2)E(1011N/m2)r r(g/cm3)C(
6、J/g-C)k(W/cmC)a a(10-6/C)TM(C)Si7.001.902.300.701.572.331400SiC21.007.003.200.673.503.302300Si3N414.003.853.100.690.190.801930SiO28.400.732.271.000.0140.501700Al0.170.702.700.9422.3625660Stainless steel2.102.007.900.470.32917.301500Cu0.070.118.90.3863.9316.561080GaAs2.700.755.300.350.506.861238Ge1.0
7、35.320.310.605.80937Quartz0.5-0.70.76-0.972.660.82-1.20 0.067-0.127.101710杨氏模量 质量密度比热容热导率热膨胀系数熔点3.3 硅化合物 微系统中常用的三种硅化合物：微系统中常用的三种硅化合物：SiO2 SiC Si3N412n 二氧化硅在微系统中的三个主要应用：二氧化硅在微系统中的三个主要应用：l作为热和电的绝缘体作为热和电的绝缘体l作为硅衬底刻蚀的掩膜作为硅衬底刻蚀的掩膜l作为表面微加工的牺牲层作为表面微加工的牺牲层n 获取二氧化硅的两种方法：获取二氧化硅的两种方法：l 干法氧化干法氧化3.3.1 二氧化硅l 湿法氧化
8、湿法氧化(通入蒸汽通入蒸汽)特性特性数值数值密度(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/cmC)0.014热膨胀系数(10-6/C)0.53.3.2 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氮化
9、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，适于做深层刻蚀的具有超强抗氧化和抗腐蚀的能力，适于做深层刻蚀的掩膜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密封材料用作高强度电子绝缘层和离子注入掩膜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,600650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：压电电阻效应：固体在受到应力场作用使其电阻发生变固体在受到应力场作用使其电阻发生变化的现象化的现
10、象应用于微传感器和致动器应用于微传感器和致动器掺硼掺砷或磷的掺硼掺砷或磷的P形硅和形硅和n形硅都具有优良的压电电阻效形硅都具有优良的压电电阻效应应电阻的变化与应力场间的关系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型硅的最大压阻系数大于n型硅，因此许多硅压电电阻型硅，因此许多硅压电电阻是由硼做掺杂物的是由硼做掺杂物的p型材料组成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：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图13.5 砷化镓由等量砷原子和镓原子组成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
11、优秀材料，因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（是硅的为电子迁移率高（是硅的7倍），更好的促进电子电流的流倍），更好的促进电子电流的流动动材料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商业应用包括手表、电子滤波器和谐
12、振器难加工，金刚石切削机难加工，金刚石切削机HF/NH4FD等化学刻蚀等化学刻蚀商品直径商品直径75mm，100m厚的石英晶片厚的石英晶片高温尺寸稳定性强于硅，比硅柔韧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，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，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；在来发射信号探测深度；在M
13、EMS和微系统上用于制动器和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.应力产生的电场应力产生的电场其中其中2.电场产生的机械应变电场产生的机械应变例题：1在硅悬臂梁的微加速度计重，一片薄的在硅悬臂梁的微加速度计重，一片薄的PZT压电压电薄膜用于信号转化，加速度计设计的可测的最大薄膜用于信号转化，加速度计设计的可测的最大加速度为加速度为10g.PZT换能器位于悬臂梁的支撑基底换能器位于悬臂梁的支撑基底处。求最大加速度为处。求最大加速度为10g时，时，PZT膜的输出电压膜的输出电压3.8 聚合物塑料、粘接剂、胶质玻璃和有机玻璃等多种材料塑
14、料、粘接剂、胶质玻璃和有机玻璃等多种材料机械强度低、熔点低和电导率差机械强度低、熔点低和电导率差作为工业材料的聚合物作为工业材料的聚合物重量轻，重量轻，工艺简单，工艺简单，原材料和生产聚合物工艺的成本低，原材料和生产聚合物工艺的成本低，耐腐蚀性高，耐腐蚀性高，结构的韧性高，结构的韧性高，形状稳定性高形状稳定性高3.8 聚合物(续)用于用于MEMS和微系统的聚合物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生所要图形在在LIGA工艺中被用于制作具有工艺中被用于制作具有MEMS器件几何形器件几何形状的初模，以制造微器件部件状的初
15、模，以制造微器件部件导电聚合物可用于导电聚合物可用于MEMS和微系统的有机衬底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件中的执行源3.8 聚合物(续)导电聚合物导电聚合物聚合物可通过三种方法变得导电聚合物可通过三种方法变得导电热解热解掺杂掺杂加入导电纤维加入导电纤维LB膜膜表面活性材料上涂挥发性溶剂，将各种化合物薄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铁电聚合物薄膜光特性可控的涂层材料光特性可控的涂层材料微传感器微传感器3.9 封装材料微电子封装中，封装能够保护微电子封装中，封装能够保护IC芯片和相互连接芯片和相互连接不受外界环境影响就足够了不受外界环境影响就足够了微系统封装，不仅要保护传感和执行单元，而且微系统封装，不仅要保护传感和执行单元，而且要求与相作用的介质相接触要求与相作用的介质相接触材料包括用于材料包括用于IC封装的材料封装的材料芯片级的贵重金属芯片级的贵重金属线、用作导线的金属层、用于铆线、用作导线的金属层、用于铆/约束基底附件的约束基底附件的焊料等，还包括金属和陶瓷焊料等，还包括金属和陶瓷微压力传感器的典型封装微压力传感器的典型封装