微机电系统功能材料微机械制造技术详解演示文稿

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1、微机电系统功能材料微机械制造技术详解演示文稿1页,共152页,星期四。(优选)微机电系统功能材料微机械制造技术2页,共152页,星期四。硅及其化合物 材 料n1、单晶硅;n2、多晶硅;n3、硅蓝宝石;n4、化合物半导体材料;n5、SiC薄膜材料。3页,共152页,星期四。 导体、半导体及绝缘体n导导 体:体:电阻率n半导体:半导体:电阻率n绝缘体:绝缘体:电阻率4页,共152页,星期四。 常用材料的电阻率5页,共152页,星期四。硅材料特性n1、硅在集成电子线路和微电子器件生产中有着广泛的应用,主要是利用硅的机械特性和电学特性。n2、特殊的晶体结构使其具有各项异性,通过掺杂获得的p型硅和n型硅

2、具有不同的导电性能和机械性能。n3、储量丰富,成本低;材质的内含杂质极少,易于提纯,纯型硅的杂质含量可降至十亿分之一,因而本身的内耗少,力学性能稳定。n4、硅材料质量轻,密度是不锈钢的 13.5。n5、弯曲强度高,为不锈钢的3.5倍。6页,共152页,星期四。n6、硅的熔点高(1400 ),约为铝的两倍,高熔点使其具有良好的高温稳定性。n7、硅的热膨胀系数比钢小8倍,比铝小10倍。n8、具有很好的导热性,是不锈钢的5倍。n9、机械品质因数可高达 ,硅没有机械迟滞性能,是理想的传感器和致动器材料。n10、与微电子集成电路工艺兼容,易与微机械和微电子线路集成;便于实现批量化生产。7页,共152页,

3、星期四。 硅的晶体结构n对于硅的原子,硅的晶格几何结构并不均匀,但是硅基本上是面心立方体晶胞。典型的面心立方单位晶胞如图所示。8页,共152页,星期四。n一个硅的单位晶胞有18个原子,其中8个原子在角部,6个原子在面上,4个原子在内部。9页,共152页,星期四。 硅晶胞的主平面n前平面(前平面(100100)、对角面()、对角面(110110)、倾斜面()、倾斜面(111111)10页,共152页,星期四。n三个主平面(晶面)上的硅原子三个主平面(晶面)上的硅原子11页,共152页,星期四。 硅材料的各向异性n(111)平面上相邻原子间的晶格距离最短,使该平面的原子间的吸引力大于其它两个平面。

4、同时,该平面包含单位晶胞面心的四个原子的三个,因此,该平面晶体生长最慢,刻蚀等加工过程进行的也最慢。12页,共152页,星期四。 单晶硅的生产n生产单晶硅盘或生产单晶硅盘或“硅片硅片”的步骤如下:的步骤如下: 原材料的准备和清理;高纯和多晶硅的生产;单晶硅的生长;单晶硅的机械加工。n硅原材料的制取硅原材料的制取 原料硅可以由原材料石英砂进行还原而制得。 这一提取过程在用碳作电极的电弧炉中进行,可以得到纯度为98的“冶金级硅”。13页,共152页,星期四。n单晶硅的提纯单晶硅的提纯 经过连续分馏、逆向反应及气化分离,可以得到固态的“电子级硅”,其纯度可达 :1,它可以作为单晶硅生产的原料。n单晶

5、硅的生长或单晶硅的生长或“拉制拉制” 常用方法:Czochralski(简称为CZ法)和悬浮区法。14页,共152页,星期四。 硅 CZ 法提纯原理15页,共152页,星期四。 单晶硅的机械加工16页,共152页,星期四。 硅的掺杂17页,共152页,星期四。 N型硅和P型硅半导体材料nP型硅是在纯硅材料中加入了硼(B)原子:由于B原子外面带有3个正电荷,这样当两种原子结合到一起形成共价键时,产生空穴。nN型硅是在纯硅材料中加入了砷(As)或磷(P)原子:由于硅原子外面为带有4个正电荷,而As或P原子外面带有5个正电荷,这样当两种原子结合到一起形成共价键时,产生游离电子。n掺杂破坏的纯硅材料电

6、子的平衡,促使电子流动加剧,导电性能得到提高。掺杂浓度越高,电阻率越低,越容易导电,18页,共152页,星期四。19页,共152页,星期四。硅材料对温度的敏感性20页,共152页,星期四。21页,共152页,星期四。多 晶 硅n多晶硅是许多单晶(晶粒)的聚合物。这些晶粒的排列是无序的,不同晶粒有不同的单晶取向,而每一晶粒内部有单晶的特征,因而在热分析和结构分析时可看作各向同性材料。n晶粒与晶粒之间的部位叫晶界,晶界对其电特性的影响可以通过控制掺杂原子浓度来调节。现就多晶硅的电阻率、电阻温度系数及电阻应变灵敏系数与掺杂原子浓度的关系论述如下。 22页,共152页,星期四。电阻率随掺B原子浓度的关

7、系n多晶硅膜的电阻率比单晶硅的高,特别是在低掺杂原子浓度下,多晶硅电阻率迅速提高。随掺杂原子浓度不同,其电阻率可在较宽数值范围内变化。23页,共152页,星期四。电阻温度特性随掺杂原子浓度的关系多晶硅电阻随温度的变化特性电阻温度系数随掺杂原子浓度的关系24页,共152页,星期四。多晶硅电阻应变灵敏特性n压缩时,电阻下降,拉伸时,电阻上升。n电阻应变灵敏系数 随掺杂浓度的增加 而略有降低。25页,共152页,星期四。 多晶硅电阻应变灵敏系数与 掺杂原子浓度的关系由图可知,电阻应变灵敏系数随掺杂浓度的增加而略有下降。其中G1是纵向应变灵敏系数,最大值约为金属应变计最大值的30倍,为单晶硅电阻应变灵

8、敏系数最大值的13。Gt为横向应变灵敏系数,其值随掺杂浓度出现正负变化,故一般都不采用。26页,共152页,星期四。多晶硅的特点n1、具有较宽的工作温度范围(60度300度);n2、可调的电阻率特性;n3、可调的的温度系数;n4、较高的应变灵敏系数及容易调整。n5、与单晶硅压阻膜相比,多晶硅压阻膜可以在不同的材料衬底上制作(如在介电体 ),而且可以更有效地抑制温度漂移,有利于长期稳定性的实现。27页,共152页,星期四。多晶硅敏感电阻压力传感器28页,共152页,星期四。 多晶硅压阻膜压力传感器输出特性29页,共152页,星期四。硅蓝宝石(SOS)n硅蓝宝石材料是通过外延生长技术将硅晶体生长在

9、蓝宝石( )衬底上形成的。硅晶体可以认为是蓝宝石的延伸部分,二者构成硅蓝宝石SOS晶片。30页,共152页,星期四。硅蓝宝石特点n1、蓝宝石材料为绝缘体;n2、蓝宝石材料的迟滞和蠕变小到可以忽略不计;n3、蓝宝石化学稳定性好,耐腐蚀,抗辐射性能 强;n4、蓝宝石机械强度高。n5、硅蓝宝石材料又脆又硬,其硬度仅次于金刚 石,制作工艺技术比较复杂。 (所以利用硅蓝宝石可以制作出具有耐高温、耐腐蚀所以利用硅蓝宝石可以制作出具有耐高温、耐腐蚀及抗辐射等优越性能的传感器和电路)及抗辐射等优越性能的传感器和电路)31页,共152页,星期四。 SiC 薄膜材料nSiC是一种特殊环境下使用的化合物半导体。它由

10、碳原子和硅原子组成,利用离子注入掺杂技术将碳原子注入单晶硅内,便可以获得优质的立方晶体结构的SiC。n特点:具有优异的物理、化学及电学性能,高强度(是单晶硅的高强度(是单晶硅的3 3倍)倍)、大刚度、内部的残余应力很低,较高的压阻系数,熔点高(熔点高(2300 2300 )。因此,SiC材料能在高温下耐腐蚀、抗辐射,非常适合于高温、恶劣环境下工作的微机电系统的选择使用。n由于SiC单晶材料成本高、硬度大及加工难度大,所以以硅单晶片为衬底的SiC薄膜就成为研究和使用的理想选择。与单晶与单晶SiCSiC薄膜相薄膜相比,多晶比,多晶SiCSiC的适用性更广。的适用性更广。32页,共152页,星期四。

11、压电材料n压电效应 压电材料的主要属性是,其弹性效应和电极化效应在机械应力或电场(电压)作用下将发生相互耦合,也就是应力应变电压之间存在内在联系。n正压电效应 在机械应力作用下,将机械能转换为电能。n逆压电效应 在电压作用下,将电能转换为机械能。33页,共152页,星期四。 压电效应的机理分析n当压电材料在外力作用下产生变形时,会引起它内部正负电荷的转移而产生电极化,使两个相对表面出现符号相反的束缚电荷,外力消失,晶体又恢复不带电的原始状态,产生正压电效应。n当对压电材料施加电场作用时,会引起材料内部正负电荷中心的相对位移,导致材料变形,产生逆压电效应。34页,共152页,星期四。 压电材料的

12、特点及应用n压电材料可以大块使用也可以小块分散使用,利用正压电利用正压电效应感知外界的机械能,可以制作微传感器;利用逆压电效效应感知外界的机械能,可以制作微传感器;利用逆压电效应作为驱动力,可以制作压电微执行器。应作为驱动力,可以制作压电微执行器。n由于压电材料的的变形量十分微小压电材料的的变形量十分微小,一般仅在几个nm/v,单个压电元件的变形量约为总长度的0.1%0.2,这在需要这在需要精密定位的微操作器中很有意义精密定位的微操作器中很有意义。n压电材料作驱动器时压电材料作驱动器时,它的激励功率小,响应速度响应速度较快,是形状记忆合金的一万倍是形状记忆合金的一万倍。压电器件可做得很薄,且组

13、合灵活。35页,共152页,星期四。常用压电材料36页,共152页,星期四。1、石英晶体a)石英晶体是绝缘体,在其表面沉积金属电极引线,不会产生漏电现象;b)材质纯、内耗低及功耗小、机械品质因数的理想值高,迟滞和蠕变极小;c)材质轻,密度为不锈钢的0.3倍,弯曲强度为不锈钢的4倍;d)主要用来制造谐振器、振荡器及滤波器等。37页,共152页,星期四。n石英的化学组成为SiC2,SiC2的晶体形式即石英晶体。石石英晶体的理想形状为六角锥英晶体的理想形状为六角锥体,体,Z轴为光轴、轴为光轴、Y轴为机械轴为机械轴、轴、X轴为电轴。轴为电轴。石英晶体是各向异性材料,不同晶向具有各异的物理特性。石英晶体

14、又是压电材料,其压电效应与晶向有关。38页,共152页,星期四。2、压电陶瓷n陶瓷材料是以化学合成物质为原材料,经过精密的成型烧结而成。烧结前,严格控制合成物质的组份比,便可以研制成适合多种用途的功能陶瓷,如压电陶瓷(电致伸缩材料)、半导体陶瓷、导体陶瓷、磁性陶瓷及多孔陶瓷等。n压电陶瓷是陶瓷经过电极化之后形成的,电极化之后的压电陶瓷为各向异性的多晶体。39页,共152页,星期四。 压电陶瓷的特点n用于致动器和传感器元件的压电陶瓷,具有价廉、质轻小巧、易于与基体结合、响应速度快等优点。此外,它对结构的动力学特性的影响很小,并且通过分布排列可实现大规模的结构驱动,因而具具有较强的驱动能力和控制作

15、用有较强的驱动能力和控制作用。n由于压电陶瓷具有微小位移且精度高压电陶瓷具有微小位移且精度高这一突出优势,适应微机械、微机器人微小位移控制的要求,用作压用作压电驱动器是比较理想的电驱动器是比较理想的。40页,共152页,星期四。n常用的压电陶瓷常用的压电陶瓷 钛酸钡(BT)、锆钛酸铅(BZT)、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅(PN)、铌酸铅钡锂(PBLN)、改性钛酸铅等。n压电陶瓷的极限应变小,目前还不能作压电陶瓷的极限应变小,目前还不能作为结构材料。为结构材料。41页,共152页,星期四。磁致伸缩材料n某些铁磁性合金,在外磁场作用下,其体内自发磁化形成的各个磁畴的磁化方向均转向外磁场的方向,并成规则

16、排列而磁化,使体内结构发生应变,伸缩量一般很小, 约为 数量级。这种由于磁而产生应变的现象称为正磁致伸缩效应;反之,磁化的铁磁体在应力作用下产生应变时,其磁畴的结构也将发生变化,使材料体内磁通密度发生变化,形成逆磁致伸缩效应。n磁致伸缩材料在磁场中的伸缩量很小,可以用在微机电系统中作为驱动器(磁机转换)和接收器(机磁转换)等。42页,共152页,星期四。磁致伸缩换能器为了获得由驱动器向接收器的最佳能量传递,磁致伸缩效应器件通常设为了获得由驱动器向接收器的最佳能量传递,磁致伸缩效应器件通常设计在其谐振点上工作,因此,设计这类器件主要考虑其振动特性。磁致计在其谐振点上工作,因此,设计这类器件主要考虑其振动特性。磁致伸缩换能器工作原理如图所示。伸缩换能器工作原理如图所示。43页,共152页,星期四。n磁致伸缩材料的特点磁致伸缩材料的特点 具有较高的饱和磁致伸缩系数,即当磁化饱和时,材料沿磁化方向的伸缩比 较大,其值约为 微应变。n常用磁致伸缩材料常用磁致伸缩材料 纯镍(Ni)和含68Ni的铁镍合金,含13Al的铁铝磁性合金。镝铽铁合金(Terfenol-D)是最理想的磁致伸缩材料,其在磁场中

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