MEMS设计与工艺(2)材料

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1、2013/3/41MEMS设计与工艺 材料MEMS设计与工艺 材料石云波 先进制造中心402，3557569（O） 石云波 先进制造中心402，3557569（O） 1主要内容基本知识 工程材料选用的技术经济原则 材料学基础 MEMS材料硅材料其他材料工程材料选用的技术经济原则 使用性能选材原则 力学性能： 化学性能 物理性能 其它功能： 工艺性能选材原则 加工工艺性为主 经济性选材原则 成本效益分析 单位成本分析 材料价值分析一般机械零件失效形式 断裂失效： 过度变形失效： 表面损伤失效：腐蚀失效、磨损失效使用性能要求的简单分类分类典型性能用途举例力学性能强度 韧性 刚性机械装置、承载结构零

2、件、护罩等化学性能抗氧化性 耐腐蚀性化工设备、动力装置、工业炉设备、海洋平台、 船用结构、户外结构等物理性能密度航空航天设备、导热性热交换器、散热器导电性 磁性电机、电器、输变电设备、电子器件、仪器制 造等其它功能功能器件、敏感元件、仪表等确定所需材料性能（指标）初步设计确定令部件功能产品功能终端产品投产降低成本设计定型、成本核算 制定技术条件和工艺路线加工/测试 设备国外 引进材料变性、加工制造 试验原型件知识、经验 专家系统材 料 原 始 性 能测试使用性能工艺性能经济性其它性能现有材料是否适用优选材料 完善数据改变功能台架模拟试验研制 新材料设计选材程序设计选材程序2013/3/42材料

3、学基础（一）固体材料的结构1固体的结合键 分子键/离子键/共价键/金属键2晶体结构 2.1 晶体的空间点阵和晶系 2.2 金属的晶体结构 2.3 离子化合物的晶体结构 2.4 共价晶体结构 2.5晶面指数、晶向指数材料学基础（二）3晶体缺陷4晶界结构晶面与晶向硅晶体属于金刚石型 晶体结构，其晶胞都具有 立方体的形式，在立方体 的每个角上都具有一个原 子。我们把这个立方体的 边长定为晶格常数，用a表 示，在室温标准大气压下 硅的a=5.43A 。晶面由于单晶体是原子周期性规则排列所组成，因 此在单晶体中可以划分出一系列彼此平行的平 面，这些面被称为晶面晶面。这些彼此平行的晶面 组成了晶面族晶面族

4、，晶面族有以下性质：(1) 每一晶面上结点排列的情况完全相同； (2) 相邻的晶面之间距离相等； (3)一族晶面可以把所有的结点都包括进去 。晶面指数为了识别晶体内的一个平面，习惯上用晶 面指数来标记 。Si crystal orientationhttp:/ site is tetrahedrally coordinated with four other sites in the other sublatticeEquivalent planes i.e. families More atoms per cm 2 (oxidizes faster than 100) but etches

5、much slowerA111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 1）2013/3/43晶向晶体中所取的方向不同，其物理化学性质也不 同这就形成了晶体的各向异性。晶向可以用垂 直于该晶面的法线方向来表示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

6、子密度是以(111)(110)(100)的次序递减，因此: 扩散速度是以(111): 0.18弹性模量/MPa: E=130*103 G=79*103: E=170*103 G=61.7*103: E=190*103 G=57.5*103应变灵敏系数 N-Si:-132 P-Si:+10N-Si:-52 P-Si:+123N-Si:-13 P-Si:+177dE/EdT (k-1): -63*10-6 : -80*10-6 : -46*10-6物理性能密度/(g/cm3)2.33热线胀系数/2.33*10-6热导率/(J/(cm.s. )1.2552熔点/( )1400比热电阻率Silicon

7、 wafer fabrication Czochralski 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 growth2013/3/46Silicon wafer fabrication slicing & polishingSmart cutting process?CMP is u

8、sed. Why?1.2 多晶硅单晶是指整个晶体内原子都 是周期性的规则排列，而多晶 是指在晶体内各个局部区域里 原子是周期性的规则排列，但 不同局部区域之间原子的排列 方向并不相同。因此多晶体也 看作是由许多取向不同的小 单晶体组成的 。多晶体也 看作是由许多取向不同的小 单晶体组成的 。硅晶体的传感特性物理量信号变换效应光，辐射光电效应，光电子效应，光电导效应，光磁电子效应应力压阻效应热，温度赛贝克效应，热阻效应，P-N结，磁性霍尔效应，磁阻效应离子离子感应电场效应硅晶体的传感特性 光电子效应：光照射到金属表面时，有电子从金属表面逸 出，这种现象称为光电效应。 光电导效应：光照变化引起半导

9、体材料电导变化的现象称 光电导效应。当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的 能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度 增大，因而导致材料电导率增大。 光磁电子效应：光照对于磁性材料磁性的影响称为光磁效 应.已经观测到具有光磁效应的磁性材料有：掺杂的 Y3Fe5O12掺Co的Ni-Zn铁氧体、Li铁氧体和Mg铁氧体掺 Ru的Li铁氧体和FeBO3等硅晶体的传感特性压阻效应：压阻效应是指半导体材料在应力作用 下,禁带宽度发生变化,引起载流子的浓度和迁移率 发生变化,从而使材料的电阻率发生变化。塞贝克效应：1821年，德国物理学家塞贝克发现， 在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接 触

10、处的温度不同时，回路中会产生一个电势，这 就是热电效应，也称作“塞贝克效应（Seebeck effect）”。硅晶体的传感特性P-N结：采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N 型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面 就形成PN结。PN结具有单向导电性。霍尔效应： 所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流 金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位 差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国 物理学家霍尔发现的。2013/3/47硅晶体的传感特性 磁阻效应：磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化 而变化的现象。同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中 受到洛伦兹力而产生的。在达到

11、稳态时，某速度的载流子所受到的 电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度 慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力 方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加。或者说，沿外加电 场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。这种现象称为磁阻效 应。 若外加磁场与外加电场垂直，称为横向磁阻效应；若外加磁场与 外加电场平行，称为纵向磁阻效应。一般情况下，载流子的有效质量 的驰豫时时间与方向无关，则纵向磁感强度不引起载流子偏移，因而 无纵向磁阻效应。硅材料的优点1、优异的机械特性；2、便于批量生产微机械结构和微机电元件；3、与微电子集成电路工艺兼容；4、微机械和微

12、电子显露便于集成。2 硅化合物二氧化硅（SiO2）碳化硅（SiC）氮化硅（Si3N4）微系统中常用的三种硅化合物。二氧化硅二氧化硅（SiO2）在微系统中的三个主要应用：（1）作为热和电的绝缘体（2）作为硅衬底刻蚀的掩膜（3）作为表面微加工的牺牲层二氧化硅的性质二氧化硅的性质碳化硅碳化硅 （SiC）在微系统中的基本应用是利用其在高温下尺 寸和化学性质的稳定性。甚至在极高的温度 下，碳化硅对氧化也有很强的抵抗力。MEMS器件经常沉积一层碳化硅薄膜以防止 它们被高温破坏。在MEMS中使用SiC的另 一原因是采用铝掩膜的干法刻蚀（可以很容 易实现SiC薄膜的图形化。2013/3/48具有许多吸引MEM

13、S和微系统的突出特性。它可以有效地阻挡水和离子，如钠离子，的扩散。氮化硅超强抗氧化和抗腐蚀的能力使其适于作深层刻蚀的掩膜。氮化硅可用作光波导以及防止水和其它有毒流体进入衬底的密封材料。它也被用作高强度电子绝缘层和离子植入掩膜。氮化硅（氮化硅（Si3N4）3 砷化镓（砷化镓（GaAs）一种半导体化合物。它是由等量的砷原子和镓原子 组成。作为化合物，含有两种元素原子的砷化镓的 晶格结构更为复杂，是用于电子和声器件在单个衬 底单片集成的优秀材料。GaAs的迁移率约比硅高7倍 ，当它被光源激发时， 能更好地促进电子电流流动。4 石英石英SiO2的化合物。石英的一个单位晶胞是四面体形 状，三个氧原子分别

14、位于四面体底部的三个顶点， 一个硅原子在四面体的另一个顶点上。垂直于基 面的轴叫Z轴。石英晶体结构是六个硅原子组成 的圆环。 因为它有几乎绝对的尺寸热稳定性，是作传感器 的理想材料。它用于市场中的许多压电器件中， 石英晶体的商业应用包括手表、电子滤波器和谐 振器。石英是应用于微流体生物医学分析的理想 材料。5、陶瓷在微机电系统所用的陶瓷材料与一般陶瓷不同， 它是以化学合成的物质为原料，控制其中的组 分比，经过精密的成型烧结，制成适合微系统 需要的多种精密陶瓷材料，通常称为功能陶瓷 材料。功能陶瓷具有耐热性、耐腐蚀性、多孔性、光电性、介电性和压电性等许多独特的性能陶瓷材料在微机电系统中的应用(1

15、) 作为基板材料；(2) 作为微致动器的材料；(3) 作为微传感器的材料。作为基板材料作为基扳材料，陶瓷材料在微电子技术中已得到 广泛的应用。用作基板材料的陶瓷是氧化铝陶瓷，它是混合电 路的基础，在基板上采用厚膜技术、薄膜技术、 键合技术和粘连技术来制造微电子电路和微机械 系统。除去化学惰性、机械稳定性、表面质量外， 它的热传导性和热膨胀系数也起着决定的作用 。2013/3/49用于致动器和传感器所用是压电陶瓷材料。压电陶瓷材料是一种电致伸 缩材料，同时兼有正压电效应和逆压电效应。若对 其施加作用力，则在它确定的两个表面上产生等量 异号电荷。反之，当对它施加外电压时，便会产生 机械变形。 常用压电陶瓷： 钛酸钡(DT) 改性钛酸铅(PT) 锆钛酸铅(BZT) 改性锆钛酸偏铌酸铅(PN) 铌酸铅钡锂(PBLN)等6、金属金属由于其具有良好的机械强度、延展性及导电 性，在微机电技术中是一类极其重要的材料。除 去镍、铜、金等金属材料外，一些特殊的金属材料在微机电系统中也有着广泛的应用。6.1 磁致伸缩金属一种同时兼有正逆磁机械耦合特性的功能材料。 当受到外加磁场作用时，便会产生弹性变形； 若对其施加作用力，则其形成的磁场将会发生 相应的变化。磁致伸缩材料在微机电系统中常被用作微传感 器和微致动