MEMS原理KunmingUniversityofScienceandTechnologyKunming,ChinaOctober,2014索春光suochunguang@126.com第一页，共四十九页。06MEMSMaterialsMEMS材料第二页，共四十九页。用于MEMS的材料§MEMS和微电子技术是不可分离的，许多微系统制造技术与微电子制造技术非常接近§但是，微系统的设计和封装技术与微电子技术有很大的不同§许多微系统使用微电子材料（如硅和砷化镓）§但是，MEMS可使用许多其他的材料，如石英和硼硅酸玻璃、聚合物和塑料、陶瓷等，这些材料却很少用于微电子产品。第三页，共四十九页。用于MEMS的材料§1.1衬底和晶片§1.2活性衬底材料§1.3作为衬底材料的硅（Si）§1.4硅化合物§1.5硅压电电阻§1.6砷化镓§1.7石英§1.8压电晶体§1.9聚合物§1.10封装材料第四页，共四十九页。1.1衬底和晶片微电子和MEMS中频繁使用的“衬底”——指在其上进行微制造工艺的平坦的宏观物体。MEMS中，“衬底”的使用有其他的目的：——除了支撑将机械动作转换为电输出或者反之的转换器之外，还作为信号转换器。半导体中，衬底是从所谓的大片晶片（Wafer）上切下来的单晶片。晶片可以是硅或其他单晶材料，如石英或砷化镓。第五页，共四十九页。1.1衬底和晶片材料近似电阻率r/W·cm分类银（Ag）10-6导体铜（Cu）10-58铝（Al）10-55铂（Pt）10-5锗（Ge）10-3~101.5半导体硅（Si）10-3~104.5砷化镓（GaAs）10-3~108磷化镓（GaP）10-2~106.5氧109绝缘体玻璃1010.5镍（Ni）（纯态）1013金刚石1014石英(熔融)1018典型绝缘体、半导体和导体的电阻率第六页，共四十九页。1.2活性衬底材料活性衬底材料主要用于微系统中的传感器和执行器，或其他MEMS器件。应用于MEMS器件的典型活性衬底材料包括硅、砷化镓、锗和石英。这些衬底材料基本上都是具有四面体原子键的立方晶格。选择依据：因为它们具有空间稳定性，对于环境条件相对不是很敏感。空间稳定性是高精度传感器和执行器的一个重要要求。第七页，共四十九页。1.3作为衬底材料的硅（1）——用于MEMS的理想衬底单晶硅是用于MEMS最广泛的衬底材料，主要因为：§1.硅的力学性能稳定，可被集成到相同衬底的电子器件上。§2.硅几乎是一个理想的结构材料。§3.硅的熔点为1400℃，约为铝的两倍。高熔点可使硅即使在高温下也能保持尺寸的稳定。§4.硅的热膨胀系数比钢小8倍，比铝小10倍。§5.硅在事实上没有机械迟滞，是传感器和执行器理想材料。§6.硅衬底的处理和制作工艺已经比较成熟。第八页，共四十九页。1.3作为衬底材料的硅（1）——Siliconwaferfabrication第九页，共四十九页。硅作为衬底材料，必须使用单晶纯硅。生产纯单晶硅最常用的方法是直拉法，Czochralski（CZ）法。如图所示，种晶放在拉伸机的尖端，使其与熔化的硅接触以形成更大的晶体。拉伸机随着熔在种晶上硅的不断沉积缓慢向上拉。随着拉伸机的上拉，沉积的熔融硅凝缩，形成了几英尺长的单晶硅芯棒。1.3作为衬底材料的硅（1）——Siliconwaferfabrication第十页，共四十九页。1.3作为衬底材料的硅（1）——Siliconwaferfabrication第十一页，共四十九页。1.3Siliconwaferfabrication（1）——slicingandpolishing第十二页，共四十九页。1.3作为衬底材料的硅（2）——晶体结构bb=0.543nm晶格常数硅晶体的立体结构示意图AB两个面心立方晶体的结合体第十三页，共四十九页。1.3作为衬底材料的硅（2）——晶体结构例题1.求纯硅每立方厘米的原子数。解：由于晶格常数b=0.543nm=0.543x10-9m，且每个立方晶胞中有18个原子，则在一立方厘米内的原子数为：323390.01()()181.12100.54310VNnv原子/cm第十四页，共四十九页。1.3作为衬底材料的硅（3）——密勒指数1xyzabc直角坐标系中点P的方程为：上式可表示为另一种形式:1hxkymz用指定与平面（hkm）垂直的方向。表示为平面的密勒指数。第十五页，共四十九页。1.3作为衬底材料的硅（3）——密勒指数MillerIndicesofaplaneisdeterminedby-Taketheinterceptsoftheplanealongthecrystallographicaxeseg.2,1,3-Thereciprocalofthethreeintegersaretakenandaremultipliedbythesmallestcommondenominatoreg.1/2,...
