MEMS工藝(2材料)揚(yáng)衛(wèi)

1、MEMS工藝材料梁庭 392033920330(o)30(o) LiangtingL主要內(nèi)容材料硅材料其他材料MEMS對(duì)材料的要求1、具有可微機(jī)械加工的特性；2、具有一定的機(jī)械性能；3、具有較好的電性能；4、具有較好的熱性能。 目前能基本滿足上述要求的材料有：半導(dǎo)體硅、鍺、砷化鎵、金屬鈮，以及石英晶體等，其中，尤以硅材料最為常見。 材料的分類按性質(zhì)分：結(jié)構(gòu)材料、功能材料和智能材料按具體的應(yīng)用場(chǎng)合：微結(jié)構(gòu)材料、微致動(dòng)材料與微傳感材料MEMSMEMS材料材料結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料基底材料：硅、砷化鎵、其他半導(dǎo)體材料基底材料：硅、砷化鎵、其他半導(dǎo)體材料薄膜材料：?jiǎn)尉Ч?、氮化硅、氧化硅薄膜材料：?jiǎn)尉Ч?、氮?/p>

2、硅、氧化硅金屬材料：金、鋁、其他金屬金屬材料：金、鋁、其他金屬功能材料功能材料高分子材料：聚酰亞胺、高分子材料：聚酰亞胺、PMMA敏感材料：壓阻、壓電、熱敏、光敏、其他敏感材料：壓阻、壓電、熱敏、光敏、其他致動(dòng)材料：壓電、形狀記憶合金、磁性材料等致動(dòng)材料：壓電、形狀記憶合金、磁性材料等MEMS 材料金屬 Al, Au, Cu, W, Ni, TiNi, NiFe,絕緣體SiO2 熱生長(zhǎng)或蒸汽淀積SiO2 晶體（壓電）Si3N4 CVD聚合體光刻膠、聚酰亞氨等半導(dǎo)體硅單晶硅、多晶硅和非晶硅為什么硅是比較理想的襯底材料為什么硅是比較理想的襯底材料1、它的力學(xué)性能穩(wěn)定，并且可被集成到相同襯底的電子器

3、件上；2、硅幾乎是一個(gè)理想的結(jié)構(gòu)材料，它具有幾乎與鋼相同的楊氏模量，但卻與鋁一樣輕；3、硅材料的質(zhì)量輕，密度為不銹鋼的13，而彎曲強(qiáng)度卻為不銹鋼的3.5倍，它具有高的強(qiáng)度密度比和高的剛度密度比。 為什么硅是比較理想的襯底材料為什么硅是比較理想的襯底材料4、它的熔點(diǎn)為1400，約為鋁的兩倍；5、它的熱膨脹系數(shù)比鋼小倍，比鋁小10倍；6、單晶硅具有優(yōu)良的機(jī)械、物理性質(zhì)，其機(jī)械品質(zhì)因數(shù)可高達(dá)106數(shù)量級(jí)，滯后和蠕變極小，幾乎為零，機(jī)械穩(wěn)定性好，是理想的傳感器和執(zhí)行器的材料；硅襯底在設(shè)計(jì)和制造中具有更大的靈活性。一、硅材料單晶硅的生長(zhǎng)單晶硅的性質(zhì)晶面與晶向Silicon wafer fabricati

4、onCzochralski process: widely-used to make single crystal Sihttp:/www.egg.or.jp/MSIL/english/msilhist0-e.html from Mitsubishi Materials Silicon CorporationSi crystal growth: float-zone crystal growthSilicon wafer fabrication slicing & polishingSmart cutting process?CMP is used. Why?晶面與晶向硅晶體屬于金剛石型晶體結(jié)

5、構(gòu)，其晶胞都具有立方體的形式，在立方體的每個(gè)角上都具有一個(gè)原子。我們把這個(gè)立方體的邊長(zhǎng)定為晶格常數(shù)，用a表示，在室溫標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下硅的a=5.43A 。 晶面由于單晶體是原子周期性規(guī)則排列所組成，因此在單晶體中可以劃分出一系列彼此平行的平面，這些面被稱為晶面。這些彼此平行的晶面組成了晶面族，晶面族有以下性質(zhì)：(1)每一晶面上結(jié)點(diǎn)排列的情況完全相同；(2)相鄰的晶面之間距離相等；(3)一族晶面可以把所有的結(jié)點(diǎn)都包括進(jìn)去 。 晶面指數(shù)為了識(shí)別晶體內(nèi)的一個(gè)平面，習(xí)慣上用晶面指數(shù)來(lái)標(biāo)記 。Si crystal orientationhttp:/ site is tetrahedrally coordin

6、ated with four other sites in the other sublatticeEquivalent planes i.e. families More atoms per cm 2 (oxidizes faster than 100) but etches much slower A111包括（包括（1 1 1），（），（1 1 1），（），（1 1 1），（），（1 1 1）B110包括（包括（110），（），（1 1 0），（），（101），（），（101），（），（011），（），（0 1 1）C100包括（包括（1 0 0），（），（0 1 0），（），（0 0

7、1） 晶向晶體中所取的方向不同，其物理化學(xué)性質(zhì)也不同這就形成了晶體的各向異性。晶向可以用垂直于該晶面的法線方向來(lái)表示 由于硅屬于立方晶體結(jié)構(gòu)，在不同晶面上原子的排列密度不同，導(dǎo)致硅晶體的各向異性，因此雜質(zhì)的擴(kuò)散速度、腐蝕速度也各不相同。 硅單晶在晶面上的原子密度是以(111)(110)(100)的次序遞減，因此擴(kuò)散速度是以(111)(110)(100)方向遞增。 腐蝕速度也是以(111)(110)(100)的順序而增加 。Wafer IndicesMiller indices of planes in a cubic crystal1.2 多晶硅單晶是指整個(gè)晶體內(nèi)原子都是周期性的規(guī)則排列，而多

8、晶是指在晶體內(nèi)各個(gè)局部區(qū)域里原子是周期性的規(guī)則排列，但不同局部區(qū)域之間原子的排列方向并不相同。因此多晶體也看作是由許多取向不同的小單晶體組成的 。硅晶體的傳感特性物理量信號(hào)變換效應(yīng)光，輻射光電效應(yīng)，光電子效應(yīng)，光電導(dǎo)效應(yīng)，光磁電子效應(yīng)應(yīng)力壓阻效應(yīng)熱，溫度賽貝克效應(yīng)，熱阻效應(yīng)，P-N結(jié)，磁性霍爾效應(yīng)，磁阻效應(yīng)離子離子感應(yīng)電場(chǎng)效應(yīng)硅材料的優(yōu)點(diǎn)1、優(yōu)異的機(jī)械特性；2、便于批量生產(chǎn)微機(jī)械結(jié)構(gòu)和微機(jī)電元件；3、與微電子集成電路工藝兼容；4、微機(jī)械和微電子顯露便于集成。2 硅化合物 二氧化硅（SiO2）、碳化硅（SiC）和氮化硅（Si3N4）是微系統(tǒng)中常用的三種硅化合物。 二氧化硅二氧化硅二氧化硅在微系統(tǒng)

9、中有三個(gè)主要應(yīng)用：（1）作為熱和電的絕緣體（2）作為硅襯底刻蝕的掩膜（3）作為表面微加工的犧牲層 二氧化硅的性質(zhì)二氧化硅的性質(zhì)碳化硅碳化硅 碳化硅（SiC）在微系統(tǒng)中的基本應(yīng)用是利用其在高溫下尺寸和化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性。甚至在極高的溫度下，碳化硅對(duì)氧化也有很強(qiáng)的抵抗力。MEMS器件經(jīng)常沉積一層碳化硅薄膜以防止它們被高溫破壞。在MEMS中使用SiC的另一原因是采用鋁掩膜的干法刻蝕（可以很容易實(shí)現(xiàn)SiC薄膜的圖形化。 氮化硅氮化硅氮化硅（Si3N4）具有許多吸引MEMS和微系統(tǒng)的突出特性。它可以有效地阻擋水和離子，如鈉離子，的擴(kuò)散。氮化硅超強(qiáng)抗氧化和抗腐蝕的能力使其適于作深層刻蝕的掩膜。氮化硅可用作光

10、波導(dǎo)以及防止水和其它有毒流體進(jìn)入襯底的密封材料。它也被用作高強(qiáng)度電子絕緣層和離子植入掩膜 3 砷化鎵砷化鎵（GaAs）是一種半導(dǎo)體化合物。它是由等量的砷原子和鎵原子組成。作為化合物，含有兩種元素原子的砷化鎵的晶格結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，是用于電子和聲子器件在單個(gè)襯底單片集成的優(yōu)秀材料。GaAs的遷移率約比硅高7倍 ，當(dāng)它被光源激發(fā)時(shí)，能更好地促進(jìn)電子電流流動(dòng)。4 石英石英是SiO2的化合物。石英的一個(gè)單位晶胞是四面體形狀，三個(gè)氧原子分別位于四面體底部的三個(gè)頂點(diǎn)，一個(gè)硅原子在四面體的另一個(gè)頂點(diǎn)上。垂直于基面的軸叫Z軸。石英晶體結(jié)構(gòu)是六個(gè)硅原子組成的圓環(huán)。石英幾乎是用作傳感器的理想材料，因?yàn)樗鼛缀踅^對(duì)的尺寸

11、熱穩(wěn)定性。它用于市場(chǎng)中的許多壓電器件中，石英晶體的商業(yè)應(yīng)用包括手表、電子濾波器和諧振器。石英是應(yīng)用于微流體生物醫(yī)學(xué)分析的理想材料 5、陶瓷 在微機(jī)電系統(tǒng)所用的陶瓷材料與一般陶瓷不同，它是以化學(xué)合成的物質(zhì)為原料，控制其中的組分比，經(jīng)過(guò)精密的成型燒結(jié)，制成適合微系統(tǒng)需要的多種精密陶瓷材料，通常稱為功能陶瓷材料。功能陶瓷具有耐熱性、耐腐蝕性、多孔性、光電性、介電性和壓電性等許多獨(dú)特的性能。 陶瓷材料在微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)中的應(yīng)用 (1) 作為基板材料；(2) 作為微致動(dòng)器的材料；(3) 作為微傳感器的材料。作為基板材料的陶瓷材料 作為基扳材料，陶瓷材料在微電子技術(shù)中已得到廣泛的應(yīng)用。用作基板材料的陶瓷是氧

12、化鋁陶瓷，它是混合電路的基礎(chǔ)，在基板上采用厚膜技術(shù)、薄膜技術(shù)、鍵合技術(shù)和粘連技術(shù)來(lái)制造微電子電路和微機(jī)械系統(tǒng)。除去化學(xué)惰性、機(jī)械穩(wěn)定性、表面質(zhì)量外，它的熱傳導(dǎo)性和熱膨脹系數(shù)也起著決定的作用 。用于致動(dòng)器和傳感器的陶瓷材料 微致動(dòng)器和微傳感器所用的陶瓷材料是壓電陶瓷材料。壓電陶瓷材料是一種電致伸縮材料，同時(shí)兼有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。若對(duì)其施加作用力，則在它確定的兩個(gè)表面上產(chǎn)生等量異號(hào)電荷。反之，當(dāng)對(duì)它施加外電壓時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。 常用壓電陶瓷有鈦酸鋇(DT)、鋯鈦酸鉛(BZT)、改性鋯鈦酸偏鈮酸鉛(PN)、鈮酸鉛鋇鋰(PBLN)、改性鈦酸鉛(PT)等 6、金屬金屬由于其具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、

13、延展性及導(dǎo)電性，在微機(jī)電技術(shù)中是一類極其重要的材料。除去鎳、銅、金等金屬材料外，一些特殊的金屬材料在微機(jī)電系統(tǒng)中也有著廣泛的應(yīng)用。 6.1 磁致伸縮金屬磁致伸縮金屬是一種同時(shí)兼有正逆磁機(jī)械耦合特性的功能材料。當(dāng)受到外加磁場(chǎng)作用時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生彈性變形；若對(duì)其施加作用力，則其形成的磁場(chǎng)將會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。磁致伸縮材料在微機(jī)電系統(tǒng)中常被用作微傳感器和微致動(dòng)器材料。 6.2 形狀記憶合金形狀記憶合金是利用應(yīng)力和溫度誘發(fā)相變的機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)形狀記憶功能，即將已在高溫下定型的形狀記憶合金，放置在低溫或常溫下使其產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)環(huán)境溫度升高到臨界溫度(相變溫度)時(shí)，合金變形消失并可恢復(fù)到定型時(shí)的原始狀態(tài)。在此恢復(fù)

14、過(guò)程中，合金能產(chǎn)生與溫度呈函數(shù)關(guān)系的位移或力，或者二者兼?zhèn)洹?形狀記憶合金是集“感知”與“驅(qū)動(dòng)”于一體的功能材料 。形狀記憶合金的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面： (1)形狀恢復(fù)的應(yīng)用； (2)伴隨形狀恢復(fù)時(shí)應(yīng)力的應(yīng)用 (3)熱敏感性的應(yīng)用； (4)作為能量貯存體的應(yīng)用。 通過(guò)形狀記憶合金模仿肌肉的收縮來(lái)實(shí)現(xiàn)人工肌肉的功能。用背部的金屬纖維振動(dòng)翅膀（TOKI公司） 6.3 電流變液和磁流變液材料電或磁的流變體是2種神奇的液體。它們經(jīng)受電場(chǎng)或磁場(chǎng)作用時(shí)，其粘性系數(shù)會(huì)發(fā)生巨變。當(dāng)其處于常態(tài)下，可以很容易攪動(dòng)；但是當(dāng)其中有電流或磁流穿過(guò)時(shí)，它會(huì)突然間（ms級(jí)）變得很粘稠。電/磁流變體的應(yīng)用用于制造各種力學(xué)元器件，如：離合器（具有無(wú)級(jí)可調(diào)、容易控制、響應(yīng)速度高的特點(diǎn)）；減震器（可在約1ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)由低粘度到高粘度的變化，從而