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1、常用于微、纳系统中常用于微、纳系统中 的基础材料与工艺的基础材料与工艺 田丽 2014.03 一.引言 二.常用于常用于MEMSMEMS、NEMSNEMS的材料的材料 2.12.1硅及其硅基化合物材料硅及其硅基化合物材料 2.1.1 2.1.1 单晶硅单晶硅 2.1.2 2.1.2 多晶硅多晶硅 2.1.3 2.1.3 多孔硅多孔硅 2.1.4 2.1.4 二氧化硅二氧化硅 2.1.5 2.1.5 氮化硅氮化硅 2.1.6 2.1.6 碳化硅碳化硅 一、引言一、引言 微、纳系统技术与微电子制造技术息息相关微、纳系统技术与微电子制造技术息息相关 八十年代中期，八十年代中期，UC Berkeley
2、 首次采用首次采用“ 表表 面面硅硅工艺工艺”制造出直径制造出直径100m 的静电马达，的静电马达， 在产业界掀起了微系统的第一次高潮；在产业界掀起了微系统的第一次高潮； “MEMS2005”国际会议首次设立了国际会议首次设立了 “Polymer MEMS（聚合物（聚合物MEMS）”专题专题 研讨会；研讨会； 纳机电器件以纳机电器件以Top-Down为主要制造方式，结为主要制造方式，结 合合Bottom-UP方式，以纳米机械制造为基础，方式，以纳米机械制造为基础， 构成纳机电传感器、纳机电执行器及其组成构成纳机电传感器、纳机电执行器及其组成 的系统。的系统。 从一个器件说起 高压电源高压电源
3、样 品 废样 品 废 液池液池 储 液储 液 池池 衬底衬底 盖盖 板板 储液池储液池 样品样品 液池液池 电 泳 微电 泳 微 沟道沟道 二、常用于二、常用于MEMS、NEMS的材料的材料 硅及其化合物：硅及其化合物：单晶硅单晶硅；多晶硅多晶硅；多孔硅多孔硅；石英晶体；二氧石英晶体；二氧 化硅化硅；氮化硅氮化硅；碳化硅碳化硅等等 其他半导体材料：其他半导体材料：锗锗；砷化镓砷化镓等等 聚合物材料：聚合物材料：聚酰亚胺聚酰亚胺；PMMAPMMA；PDMSPDMS；PCPC； 金属材料：金属材料：金金；铝铝；铜铜；W；Ni；TiNi；Fe等金属等金属 高分子材料以及生物大分子：高分子材料以及生物
4、大分子： （1 1） artificial nanomaterialsartificial nanomaterials a. a. 包括包括纳纳米米颗粒颗粒或或纳纳米管米管等等 b. b. 分子拓印、分子拓印、纳纳米米颗粒颗粒或或纳纳米管等生技米管等生技应应用、表面用、表面纳纳 米生技多使用米生技多使用人工人工纳纳米材料米材料 (2) natural nanomaterials(2) natural nanomaterials a. a. 包括包括proteinsproteins, , DNADNA, , 脂肪脂肪lipidslipids等，會作重組工等，會作重組工 作的天然分子作的天然分子
5、b. DNAb. DNA工程工程与与分子分子组装组装、生物分子、生物分子组组件、式件、式样样形成使形成使 用的多用的多为为纳纳米米级级生物分子生物分子 其他功能材料：其他功能材料：压阻压阻；压电压电；热敏热敏；光敏光敏；形状记忆合金形状记忆合金； 磁性材料磁性材料；其他；其他 当当当当当当当当当当 结构材料结构材料 基底材料：硅、砷化镓、其他半导体材料、基底材料：硅、砷化镓、其他半导体材料、 聚合物等高分子材料聚合物等高分子材料 薄膜材料：单晶硅、氮化硅、氧化硅、碳化薄膜材料：单晶硅、氮化硅、氧化硅、碳化 硅硅 金属材料：金、铝、其他金属金属材料：金、铝、其他金属 功能材料功能材料 高分子材料
6、：聚酰亚胺、高分子材料：聚酰亚胺、PMMAPMMA 敏感材料：压阻、压电、热敏、光敏、抗原敏感材料：压阻、压电、热敏、光敏、抗原 抗体、抗体、DNADNA等生物大分子、其他等生物大分子、其他 致动材料：压电、形状记忆合金、磁性材料致动材料：压电、形状记忆合金、磁性材料 2.1 硅及硅基化合物材料 单晶硅 多晶硅 多孔硅 SiO2 Si3N4 SiC 硅及硅基化合物材料 2.1.1单晶硅单晶硅 19501950年制出第一只硅晶体管，提高了人们制年制出第一只硅晶体管，提高了人们制 备优质硅单晶的兴趣。备优质硅单晶的兴趣。 19521952年用直拉法年用直拉法(CZ)(CZ)培育硅单晶成功。培育硅单
7、晶成功。 19531953年又研究出无坩埚区域熔化法年又研究出无坩埚区域熔化法(FZ)(FZ)，既，既 可进行物理提纯又能拉制单晶。可进行物理提纯又能拉制单晶。 19551955年开始采用锌还原四氯化硅法生产纯硅，年开始采用锌还原四氯化硅法生产纯硅， 19561956年研究成功氢还原三氯氢硅法。年研究成功氢还原三氯氢硅法。 6060年代硅年代硅外延生长外延生长单晶技术和单晶技术和硅平面工艺硅平面工艺的的 出现，不但使硅晶体管制造技术趋于成熟，出现，不但使硅晶体管制造技术趋于成熟， 而且促使集成电路迅速发展。而且促使集成电路迅速发展。 硅晶胞：金刚石结构的立方晶胞硅晶胞：金刚石结构的立方晶胞 晶
8、格常数晶格常数： =5.4305 原子密度原子密度： 8/a3=5*1022cm-3 原子半径原子半径： rSi=3a/8=1.17 空间利用率空间利用率： 硅晶面硅晶面 晶体中所有原子看作处于彼此平行的平面系上，这种平面晶体中所有原子看作处于彼此平行的平面系上，这种平面 系叫系叫晶面晶面。用。用晶面指数晶面指数(h(h1 1h h2 2 h h3 3) )标记。如（ 标记。如（100100）晶面（又）晶面（又 称密勒指数）。等价晶面表示为称密勒指数）。等价晶面表示为100100 100100晶向和晶向和(100)(100)面是垂直的。面是垂直的。 晶体中所取的方向不同，其物理化学性质也不同这
9、就形晶体中所取的方向不同，其物理化学性质也不同这就形 成了成了晶体的各向异性晶体的各向异性。 立方晶系的几种主要晶面立方晶系的几种主要晶面 硅晶体为双层立方密积结构硅晶体为双层立方密积结构 硅单晶由两套面心立方结构套构而硅单晶由两套面心立方结构套构而 成，有成，有双层密排面双层密排面AABBCCAABBCC 双层密排面：双层密排面：原子距离最近，结合原子距离最近，结合 最为牢固，能量最低，腐蚀困难，最为牢固，能量最低，腐蚀困难， 容易暴露在表面，在晶体生长中有容易暴露在表面，在晶体生长中有 表面成为表面成为111111晶面的趋势。晶面的趋势。 两层双层密排面之间：两层双层密排面之间：原子距离最
10、原子距离最 远，结合脆弱，晶格缺陷容易在这远，结合脆弱，晶格缺陷容易在这 里形成和扩展，在外力作用下，很里形成和扩展，在外力作用下，很 容易沿着容易沿着111111晶面劈裂，这种易劈晶面劈裂，这种易劈 裂的晶面称为晶体的裂的晶面称为晶体的解理面解理面。 由于硅属于立方晶体结构，在不同晶面上原 子的排列密度不同，导致硅晶体的各向异性， 因此杂质的扩散速度、腐蚀速度也各不相同。 硅单晶在晶面上的原子密度是以(111)(110) (100)的次序递减，因此扩散速度是以 (111)(110)(100)方向递增。 腐蚀速度也是以(111)(110)(100)的顺序而 增加 。 单晶硅在MEMS应用中作用
11、 单晶硅是最通用的体加工材 料，因为它有良好的各向异 性腐蚀特性以及与掩膜材料 的兼容性。 在表面微机械加工中，不管 器件结构本身是不是硅材料， 单晶硅衬底都是最理想的 MEMS结构平台。 在硅基集成MEMS器件中， 单晶硅又是IC器件中的首要 载体材料。 为什么硅是比较理想的衬底材料为什么硅是比较理想的衬底材料 力学性能稳定，并且可被集成到相同衬底的 电子器件上； 硅几乎是一个理想的结构材料，杨氏模量约 为190GPa（钢的杨氏模量大约为210GPa）， 几乎与钢相同，但却与铝一样轻； 硅材料的质量轻，密度为不锈钢的13，而 弯曲强度却为不锈钢的3.5倍，它具有高的强 度密度比和高的刚度密度
12、比。 高杨氏模量的材料可以更好的保持载荷 与变形的线性关系 为什么硅是比较理想的衬底材料为什么硅是比较理想的衬底材料 它的熔点为1400，约为铝的两倍； 它的热膨胀系数比钢小8倍，比铝小10倍； 单晶硅具有优良的机械、物理性质，其机械 品质因数可高达106数量级，滞后和蠕变极小， 几乎为零，机械稳定性好，是理想的传感器 和执行器的材料； 硅衬底在设计和制造中具有更大的灵活性。 How are the silicone fabricated into a device？ 硅工艺 1.表面微加工技术（Surface micromachining） 集成电路技术 牺牲层技术 (Sacrificial
13、 layer ) 2.体微加工技术（Bulk micromachining） 湿法刻蚀 (Wet Etching ) 干法刻蚀 (Dry Etching ) 表面微机械加工技术典型工艺示意图表面微机械加工技术典型工艺示意图 表面微加工技术 薄膜层材料薄膜层材料常用常用多晶硅多晶硅、氧化硅氧化硅、氮化硅氮化硅、玻璃玻璃和和 金属金属等等, ,为微结构器件提供敏感元件、电接触线、为微结构器件提供敏感元件、电接触线、 结构层、掩模和牺牲层。结构层、掩模和牺牲层。 牺牲层牺牲层( (常用常用SiOSiO2 2) )做在淀积和光刻形成图形的结构做在淀积和光刻形成图形的结构 层的下面层的下面, ,可以选择
14、性刻蚀除去可以选择性刻蚀除去, ,使结构层与基底隔使结构层与基底隔 开。开。 该技术在硅片上用连续生长该技术在硅片上用连续生长功能层功能层、结构层结构层、牺牲牺牲 层层工艺来制作微机械结构，借助多次光刻套刻实工艺来制作微机械结构，借助多次光刻套刻实 现图形复制和层间对准，依靠牺牲层技术控制结构现图形复制和层间对准，依靠牺牲层技术控制结构 的分离与衔接，的分离与衔接，硅片本身并不被刻蚀硅片本身并不被刻蚀, ,因而是一种因而是一种 平面加工或准三维加工工艺平面加工或准三维加工工艺. . 适用于制作厚度几适用于制作厚度几几十微米和深宽比为几几十微米和深宽比为几十几的十几的 微机械结构。微机械结构。
15、2.1.2 多晶硅（polycrystalline silicon ） 灰色金属光泽。密度灰色金属光泽。密度 2.322.34；熔点；熔点 14101410；沸点；沸点23552355。 溶于氢氟酸和硝酸的溶于氢氟酸和硝酸的 混酸中，不溶于水、混酸中，不溶于水、 硝酸和盐酸硝酸和盐酸 ； 表面微加工工艺体系表面微加工工艺体系 中最常用的结构材料中最常用的结构材料 之一，可以掺杂成为之一，可以掺杂成为 半导体；半导体； 多晶硅材料的主要特点 多晶硅薄膜的多晶硅薄膜的生长温度低生长温度低，一般为几百度，最低，一般为几百度，最低 才才200200 C C左右。左右。 多晶硅薄膜多晶硅薄膜对生长衬底的
16、选择不苛刻对生长衬底的选择不苛刻。衬底只要。衬底只要 有一定的硬度、平整度及能耐受住生长工艺温度有一定的硬度、平整度及能耐受住生长工艺温度 即可。即可。 可通过对生长条件及后工艺的控制来可通过对生长条件及后工艺的控制来调整多晶硅调整多晶硅 薄膜的电阻率薄膜的电阻率，使它成为绝缘体、导体或半导体，使它成为绝缘体、导体或半导体， 从而适应不同器件或器件不同部分的需要。从而适应不同器件或器件不同部分的需要。 多晶硅材料的主要特点 多晶硅薄膜作为半导体材料可以像单晶硅那样通多晶硅薄膜作为半导体材料可以像单晶硅那样通 过生长、扩散或离子注入进行过生长、扩散或离子注入进行掺杂掺杂，形成，形成N N型或型或P P 型半导体，制成型半导体，制成p p- -n n结；结； 可采
