MEMS工艺(2材料)2扬卫.ppt

MEMS工艺 材料 扬angwei 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 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 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 材料学基础 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 这些彼此平行的晶面组成了晶面族 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 Sicrystalorientation Eachsiteistetrahedrallycoordinatedwithfourothersitesintheothersublattice Equivalentplanesi e families Moreatomspercm2 oxidizesfasterthan100 butetchesmuchslower A 111 包括 111 111 111 111 B 110 包括 110 110 101 101 011 011 C 100 包括 100 010 001 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 腐蚀速度是以 111 110 100 的顺序而增加 WaferIndices Millerindicesofplanesinacubiccrystal 材料的分类 按性质分 结构材料 功能材料和智能材料按具体的应用场合 微结构材料 微致动材料与微传感材料 MEMS材料 结构材料基底材料 硅 砷化镓 其他半导体材料薄膜材料 单晶硅 氮化硅 氧化硅金属材料 金 铝 其他金属功能材料高分子材料 聚酰亚胺 PMMA敏感材料 压阻 压电 热敏 光敏 其他致动材料 压电 形状记忆合金 磁性材料等 MEMS材料 金属 Al Au Cu W Ni TiNi NiFe 绝缘体SiO2 热生长或蒸汽淀积SiO2 晶体 压电 Si3N4 CVD聚合体 光刻胶 聚酰亚氨等半导体硅 单晶硅 多晶硅和非晶硅 MEMS对材料的要求 1 具有可微机械加工的特性2 具有一定的机械性能3 具有较好的电性能4 具有较好的热性能 目前能基本满足上述要求的材料有 半导体硅 锗 砷化镓 金属铌 以及石英晶体等 其中 尤以硅材料最为常见 一 硅材料 单晶硅的生长单晶硅的性质晶面与晶向 为什么硅是比较理想的衬底材料 1 力学性能稳定 可集成到相同衬底的电子器件上 2 理想的结构材料 具有几乎与钢相同的杨氏模量 但却与铝一样轻 3 质量轻 密度为不锈钢的1 3 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比 为什么硅是比较理想的衬底材料 4 它的熔点为1400 约为铝的两倍 5 它的热膨胀系数比钢小8倍 比铝小10倍 6 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 7 硅衬底在设计和制造中具有更大的灵活性 有关单晶硅的机械物理性质 Siliconwaferfabrication Czochralskiprocess widely usedtomakesinglecrystalSi http www egg or jp MSIL english msilhist0 e htmlfromMitsubishiMaterialsSiliconCorporation Sicrystalgrowth float zonecrystalgrowth Siliconwaferfabrication slicing polishing Smartcuttingprocess CMPisused 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 硅晶体的传感特性 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 Seebeckeffect 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 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 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 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 具有许多吸引MEMS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 Si3N4 3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 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 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 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器材料 6 2形状记忆合金 是利用应力和温度诱发相变的机理来实现形状记忆功能 即将已在高温下定型的形状记忆合金 放置在低温或常温下使其产生塑性变形 当环境温度升高到临界温度 相变温度 时 合金变形消失并可恢复到定型时的原始状态 在此恢复过程中 合金能产生与温度呈函数关系的位移或力 或者二者兼备 形状记忆合金是集 感知 与 驱动 于一体的功能材料 形状记忆合金的应用主要有以下几个方面 1 形状恢复的应用 2 伴随形状恢复时应力的应用 3 热敏感性的应用 4 作为能量贮存体的应用 通过形状记忆合金模仿肌肉的收缩来实现人工肌肉的功能 用背部