试谈用于MEMS与微系统的材料.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit the outline text format,Second Outline Level,Third Outline Level,Fourth Outline Level,Fifth Outline Level,Sixth Outline Level,Seventh Outline Level,Eighth Outline Level,Ninth Outline Level,*,Click to edit the title text format,Click to edit the outline text format,Second Outline Level,Third Outline Level,Fourth Outline Level,Fifth Outline LevelSixth Outline Level,Seventh Outline Level,Eighth Outline Level,Ninth Outline Level,*,Click to edit the title text format,第,3,章 用于,MEMS,和微系统材料,1,试谈用于MEMS与微系统的材料,第1页,3.1,衬底,微系统中，衬底使用目标有两个：,支撑将机械动作转换为电输出或者反之转换器,信号转化器,(,压力传感器,-Si,膜；硅梁,),两种衬底材料用于微系统：,活性衬底材料,-,空间稳定性，对于环境条件不敏感,惰性衬底材料,可用作为基板材料：,Si,SiO,2,、,SiC,、,Si,3,N,4,和多晶硅等,试谈用于MEMS与微系统的材料,第2页,3.2.1 Si,Si,是地球上最丰富元素，主要以化合物形式存在,单晶硅是用于,MEMS,和微系统最广泛衬底材料,力学性能稳定,理想结构材料，高杨氏模量，但重量轻,熔点高，高温稳定性好,热膨胀系数小,没有机械迟滞效应，是理想传感器和致动器材料,硅晶片上轻易制作涂层或者附加薄膜层,硅衬底制作工艺非常成熟,试谈用于MEMS与微系统的材料,第3页,3.2.2,单晶,Si,必须采取单晶硅作为,MEMS,和微系统衬底,Czochralski,单晶硅提纯法,粗硅,+,碳在石英坩埚中熔化,将种晶放在拉伸机尖端，与熔化硅接触并形成更大晶体,拉伸机不停迟缓提升,不停拉伸及沉积，形成单晶硅芯棒,试谈用于MEMS与微系统的材料,第4页,3.2.2,单晶,Si(,续,),采取以上方法得到单晶硅棒直径可达,300mm,、长度可达,30,英尺、大约,400,千克,用金刚石砂轮切成薄片,晶圆标准尺寸：,4,英寸：,100mmX500um(,厚度,),6,英寸：,150mmX750um,8,英寸：,200mmX1mm,12,英寸：,300mmX750um,5,试谈用于MEMS与微系统的材料,第5页,3.2.3,单晶,Si,结构,单晶硅基本为,FCC,结构,基本认为各向同性,硅晶体三维结构示意图,原子数为,12,个,原子数为,18,个6,试谈用于MEMS与微系统的材料,第6页,3.2.4,密勒指数,密勒指数普通用来指定晶面和晶向,一个平面与,x,、,y,、,z,相切,平面上一点,P(x,y,z),符合,另一个表现形式,立方结构晶体中，,a=b=c=1,7,试谈用于MEMS与微系统的材料,第7页,3.2.4,密勒指数,(,续,),顶面,:,(001),右面,:(010),前面,:(100),对角面,:,(110),倾斜面面,:,(111),8,试谈用于MEMS与微系统的材料,第8页,3.2.5,硅力学性能,硅晶体主要晶面特征,(100),晶面包含最基本原子数，所以晶面最弱，最易被加工,(110),晶面在微加工中可提供最洁净加工面,(111),晶面上相邻原子间晶格距离最短，所以最难加工,晶向密勒指数,杨氏模量,(GPa),剪切模量,(GPa),129.5,79.0,168.0,61.7,186.5,57.5,(100),晶面与,(111),晶面间角度为,54.74,试谈用于MEMS与微系统的材料,第9页,3.2.6 MEMS,材料力学和物理性能,屈服强度,s,y,(,10,9,N/m,2,),E,(,10,11,N/m,2,),r,(g/cm3),C,(J/g-C),k,(W/cmC),a,(,10,-6,/C),T,M,(C),Si,7.00,1.90,2.30,0.70,1.57,2.33,1400,SiC,21.00,7.00,3.20,0.67,3.50,3.30,2300,Si3N4,14.00,3.85,3.10,0.69,0.19,0.80,1930,SiO2,8.40,0.73,2.27,1.00,0.014,0.50,1700,Al,0.17,0.70,2.70,0.942,2.36,25,660,Stainless steel,2.10,2.00,7.90,0.47,0.329,17.30,1500,Cu,0.07,0.11,8.9,0.386,3.93,16.56,1080,GaAs,2.70,0.75,5.30,0.35,0.50,6.86,1238,Ge,1.03,5.32,0.31,0.60,5.80,937,Quartz,0.5-0.7,0.76-0.97,2.66,0.82-1.20,0.067-0.12,7.10,1710,杨氏模量,质量密度,比热容,热导率,热膨胀系数,熔点,10,试谈用于MEMS与微系统的材料,第10页,3.3,硅化合物,微系统中惯用三种硅化合物：,SiO,2,SiC,Si,3,N,4,试谈用于MEMS与微系统的材料,第11页,二氧化硅在微系统中三个主要应用：,作为热和电绝缘体,作为硅衬底刻蚀掩膜,作为表面微加工牺牲层,获取二氧化硅两种方法：,干法氧化,3.3.1,二氧化硅,湿法氧化,(,通入蒸汽,),特征,数值,密度,(g/cm,3,),2.27,电阻,(,W,-cm),10,16,电介质常数,3.9,熔点,(,C),1700,比热,(,J/g-,C),1.0,热导率,(W/cm,C),0.014,热膨胀系数,(,10,-6,/,C,),0.5,12,试谈用于MEMS与微系统的材料,第12页,3.3.2,碳化硅,碳化硅含有很好高温尺寸和化学性质稳定性,在高温下，碳化硅对氧化含有很强抵抗力，是适当掩膜材料,碳化硅是生产单晶硅芯棒副产品，可经过各种沉积方法生产碳化硅膜,试谈用于MEMS与微系统的材料,第13页,3.3.3,氮化硅,氮化硅能有效阻挡谁和离子扩散,含有超强抗氧化和抗腐蚀能力，适于做深层刻蚀掩膜,可用作光波导以及预防水和其它有毒流体进入衬底密封材料,用作高强度电子绝缘层和离子注入掩膜,试谈用于MEMS与微系统的材料,第14页,3.3.4,多晶硅,用,CVD,方法沉积到硅衬底上,LPCVD,600650,掺杂之后，可作为导体和控制开关,多晶硅含有随机尺寸和取向单晶硅 集合，在热和结构分析时可看作各向同性,试谈用于MEMS与微系统的材料,第15页,3.4,硅压电电阻,压电电阻效应：固体在受到应力场作用使其电阻发生改变现象,应用于微传感器和致动器,掺硼掺砷或磷,P,形硅和,n,形硅都含有优良压电电阻效应,电阻改变与应力场间关系,试谈用于MEMS与微系统的材料,第16页,试谈用于MEMS与微系统的材料,第17页,试谈用于MEMS与微系统的材料,第18页,P,型硅最大压阻系数大于,n,型硅，所以许多硅压电电阻是由硼做掺杂物,p,型材料组成,室温下,取向硅电阻率和压阻系数,试谈用于MEMS与微系统的材料,第19页,硅压电电阻计电阻改变可经过下式表示：,P,型硅压电电阻在各个方向压阻系数,试谈用于MEMS与微系统的材料,第20页,图,1,试谈用于MEMS与微系统的材料,第21页,3.5,砷化镓,由等量砷原子和镓原子组成,用于电子和声子器件在单个衬底单片集成优异材料，因为电子迁移率高（是硅,7,倍），更加好促进电子电流流动,材料,300K,电子迁移率,高温下优异尺寸稳定性，可做良好热绝缘层,屈服强度较低，是硅三分之一，极少用作衬底，价格高,试谈用于MEMS与微系统的材料,第22页,GaAs,和硅在微加工中比较,试谈用于MEMS与微系统的材料,第23页,3.6,石英,几乎用作传感器理想材料，因为它含有几乎绝正确尺寸热稳定性,商业应用包含手表、电子滤波器友好振器,难加工，金刚石切削机,HF/NH,4,FD,等化学刻蚀,商品直径,75mm,，,100m,厚石英晶片,高温尺寸稳定性强于硅，比硅柔韧,试谈用于MEMS与微系统的材料,第24页,3.7,压电晶体,最惯用非半导体材料，固态陶瓷化合物，,压电效应：在两边受到压力时，可产生一定电压，在晶体两端加上电压，改变晶体形状,应用加高应力产生高电压，可作为碰撞引爆器件，还可用来发射信号探测深度；在,MEMS,和微系统上用于制动器和压力传感器及加速度计中动态信号转化器,试谈用于MEMS与微系统的材料,第25页,1.,应力产生电场,其中,其中,2.,电场产生机械应变,试谈用于MEMS与微系统的材料,第26页,例题：,1,在硅悬臂梁微加速度计重，一片薄,PZT,压电薄膜用于信号转化，加速度计设计可测最大加速度为,10g.PZT,换能器位于悬臂梁支撑基底处。求最大加速度为,10g,时，,PZT,膜输出电压,试谈用于MEMS与微系统的材料,第27页,3.8,聚合物,塑料、粘接剂、胶质玻璃和有机玻璃等各种材料,机械强度低、熔点低和电导率差,作为工业材料聚合物,重量轻，,工艺简单，,原材料和生产聚合物工艺成本低，,耐腐蚀性高，,结构韧性高，,形状稳定性高,试谈用于MEMS与微系统的材料,第28页,3.8,聚合物,(,续,),用于,MEMS,和微系统聚合物,光阻聚合物被用于生产掩膜，经过光刻在衬底上产生所要图形,在,LIGA,工艺中被用于制作含有,MEMS,器件几何形状初模，以制造微器件部件,导电聚合物可用于,MEMS,和微系统有机衬底,铁电聚合物，其性质与压电晶体类似，可用于为器件中执行源,试谈用于MEMS与微系统的材料,第29页,3.8,聚合物,(,续,),导电聚合物,聚合物可经过三种方法变得导电,热解,掺杂,加入导电纤维,LB,膜,表面活性材料上涂挥发性溶剂，将各种化合物薄膜沉积到衬底上产生多层结构,LB,薄膜是良好铁磁、热和压电性质候选材料,铁电聚合物薄膜,光特征可控涂层材料,微传感器,试谈用于MEMS与微系统的材料,第30页,3.9,封装材料,微电子封装中，封装能够保护,IC,芯片和相互连接不受外界环境影响就足够了,微系统封装，不但要保护传感和执行单元，而且要求与相作用介质相接触,材料包含用于,IC,封装材料,芯片级珍贵金属线、用作导线金属层、用于铆,/,约束基底附件焊料等，还包含金属和陶瓷,试谈用于MEMS与微系统的材料,第31页,微压力传感器经典封装,试谈用于MEMS与微系统的材料,第32页,