1、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。 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、LB膜；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 M aterials in Silicon-B ased M icroelectronics porous sil
2、icon BN(Boron N itride) Low D ielectrics Polym er Pt RuO2(ruthenium O xide) IrO2 (Iridium O xide) SrRuO3 Electrode (LaSr)CoO3 M aterials Y Ba2Cu3O7 SrB i2TA5O9 Pb(Zr,Ti)O3 Ferro Electrocs (Pb,La)(Zr,Ti)O3 Ta2O5 TiO2 B ST(Barium ST) High Dielectrics ST(Strontium Titanate) TiN TiN /Ti Cu/TiN M etals C
3、u W PtSi2 CoSi2 TiSi2 Silicides M oSi2 TaSi2 Si3N4 Polysilicon A l SiO2 Si 1970 1980 1990 2000 2010Q uantum leap in new m aterials衬底材料的要求 直径尽可能大 一致性好 均匀性 掺杂性 杂质 表面清洁 点缺陷 。 低成本一、硅材料 单晶硅具有优良的机械、物理性质，其机械品质因数可高达 数量级，滞后和蠕变极小，几乎为零，机械稳定性好 。 硅材料的质量轻，密度为不锈钢的13，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。 6101 单晶硅有关单晶
4、硅的机械物理性质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。1.1 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 。 例7-1 求纯硅每立方厘米的原子数。 解： 由于晶格常数b0.5
5、43nm0.543109m，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（1cm0.01m）： V和v分别代表题中硅的体积和一个单晶体的体积；n是一个单位硅晶体中的原子数。 32339/1012. 118)10543. 001. 0()(cmnvVN原子晶面 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： 每一晶面上结点排列的情况完全相同； 相邻的晶面之间距离相等； 一族晶面可以把所有的结点都包括进去 。 晶面指数（密勒指数） 为了识别晶体内的一个平面，习惯上用晶面指数来标记
6、。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。 腐蚀速度也是以(111)(110)(100)的顺序而增加 。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
7、由许多取向不同的小单晶体组成的 。多晶硅材料的主要特点 1、多晶硅薄膜的生长温度低，一般为几百度，最低才200C左右。这样的低温工艺过程，不仅省能，而且在集成电路或集成传感器的制作中不会对前期工艺制作的有源区边界及杂质分布产生影响。多晶硅材料的主要特点 2、多晶硅薄膜对生长衬底的选择不苛刻。衬底只要有一定的硬度、平整度及能耐受住生长工艺温度即可。 3、可以通过对生长条件及后工艺的控制来调整多晶硅薄膜的电阻率，使它成为绝缘体、导体或半导体，从而适应不同器件或器件不同部分的需要。多晶硅材料的主要特点 4、多晶硅薄膜作为半导体材料可以像单晶硅那样通过生长、扩散或离子注入进行掺杂，形成N型或P型半导体
8、，制成p-n结；可以采用硅平面工艺进行氧化、光刻、腐蚀等加工。多晶硅材料的主要特点 5、由于生长的膜厚可以较好的控制，与其他薄膜有良好的相容性，有利于制造多层膜结构，给器件设计带来较大的灵活性。 6、生长工艺的进步使得多晶硅薄膜不仅可以大批量生长，而且可以大面积生长，因而成本低，易于扩大应用。表7.7 多晶硅和其它材料的机械特性比较材料材料杨氏模量，杨氏模量，GPaGPa泊松比泊松比热膨胀系数，热膨胀系数，ppmppm/做为衬底:硅1900.232.6铝4158.7二氧化硅730.170.4做为薄膜:多晶硅1600.232.8热法SiO2700.20.35LPCVD SiO22700.271.
9、6PECVE SiO22.3铝700.3525钨4100.284.3聚酰亚胺3.20.4220-701.3硅的力学性能 在800以下，硅基本上无塑性和蠕变的弹性材料 。在所有的环境中几乎不存在疲劳失效。 硅是脆性材料。 硅衬底的另一个缺点是它的各向异性 。表7.2 硅晶体的多种杨氏弹性模量和剪切弹性模量密勒指数的取密勒指数的取向向杨氏模量杨氏模量E E，GPaGPa剪切模量剪切模量G G，GPaGPa129.579.0168.061.7186.557.5表7.3 MEMS材料的力学和热物理特性材料材料y y10109 9N/mN/m2 2E,E,10101111N/mN/m2 2,g/cmg/
10、cm3 3c,c,J/g-J/g-k,k,W/cm-W/cm-,1010-6-6/T TM,M,Si7.001.902.300.701.572.331400SiC21.007.003.200.673.503.302300Si3N414.003.853.100.690.190.801930SiO28.400.732.271.000.0140.501700铝0.170.702.700.9422.3625660不锈钢2.102.007.900.470.32917.301500铜0.070.118.90.3863.9316.561080砷化镓2.700.755.300.350.506.861238锗1
11、.035.320.310.605.80937石英0.5-0.70.76-0.972.660.82-1.200.067-0.127.101710材料材料y y10109 9N/mN/m2 2E,E,10101111N/mN/m2 2,g/cmg/cm3 3c,c,J/g-J/g-k,k,W/cm-W/cm-,1010-6-6/T TM,M,符号说明：y屈服强度；E=杨氏模量；质量密度；c比热；k热导率；热膨胀系数；TM=熔点 例7-2 如第5章所述，材料的热扩散率是热量流入材料快慢的量度。列出硅、二氧化硅、铝和铜的热扩散率，并分析结果。 解：热扩散率是材料几个特性的函数： ck其中表7.3给出了
12、题中4种材料的k、和c的值。表7.4给出的值与表7.3在单位上稍有不同。表7.4 用于微系统的材料的热扩散率材料材料k,k,J/sce-mJ/sce-m- -,g/cmg/cm3 3c,c,J/g-J/g-热扩散率，热扩散率，m m2 2/s/sSi1572.31060.797.52106SiO21.42.271061.00.62106铝2362.71060.9493106铜3938.91060.386114.4106结论：铜膜是微系统中最好的快速导热材料，而二氧化硅可作为有效的热障材料。2硅化合物 二氧化硅（SiO2）、碳化硅（SiC）和氮化硅（Si3N4）是微系统中常用的三种硅化合物。 二
13、氧化硅二氧化硅二氧化硅在微系统中有三个主要应用： （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 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。 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。 氮化硅（Si3N4）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
14、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 氮化硅氮化硅的一些性质特性特性LPCVDLPCVDPECVDPECVD沉积温度，700-800250-350密度，g/cm32.9-3.22.4-2.8膜质量优秀差相对介电常数6-76-9电阻率，-cm1016106-1015折光率2.011.8-2.5AtomH4-820-25在浓HF酸中的刻蚀率200A/min在沸腾HF酸中的刻蚀率5-10A/min泊松比0.27杨氏模量，GPa385热膨胀系数，ppm/1.63砷化镓 砷化镓（GaAs）是半导体化合物。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
15、化镓的晶格结构更为复杂，是用于电子和声子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。表7.11一些材料在300K时的电子迁移率材料电子迁移率，m2/V-s铝0.00435铜0.00136硅0.145砷化镓0.850氧化硅0氮化硅0GaAs的迁移率约比硅高7倍。材料高的电子迁移率意味着电流流入材料更为容易。 表7.12 GaAs和硅在微加工中的比较特性特性GaAsGaAs硅硅光电子很好不好压电效应有无压电系数，pN/2.6零热导率相对低相对高成本高低与其它衬底键合难相对容易断裂脆，易碎脆，结实操作温度高低最佳工作温度.46030
16、0物理稳定性一般很好硬度，GPa7104石英 石英是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。 石英几乎是用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压电晶体 压电晶体是MEMS和微系统中最常用的非半导体材料之一。压电晶体是固态的陶瓷化合物，当它的两边受到外力时，可产生一定的电压。并且是可逆的。 机械能到电能的转换效率可通过机电转换系数K衡量，其定义如下 输
17、入的电能输出的机械能2K输入的机械能输出的电能2K或 下面简化的机电效应的数学关系可用于单 向承载情况下压电换能器的设计 1.应力产生的电场fV V是产生的电场，单位V/m；是所加应力，单位（Pa）。f为常数。2.电场产生的机械应变 dV其中是产生的应变；V是所加电场V/m。 上面两式中的系数f和d有下面的关系 Efd1其中E是压电晶体的杨氏模量。一些材料的压电系数压电晶体压电晶体系数系数d d，1010-12-12m/Vm/V机电转换系数机电转换系数K K石英（晶体SiO2）2.30.1钡钛酸盐（BaTiO3）100-1900.49锆钛酸铅，PZT（PbTi1-xZrxO3）4800.72P
18、bZrTiO6250PbNb2O680罗舍耳盐（NaKC4H4O6-4H2O）3500.78聚偏二氟乙烯，PVDF18 具有压电效应的晶体，其结构不存在对称中心。当应力作用到这种晶体上时，每个单元晶胞中的正负电荷位点间的间隔发生变化，从而在晶体表面产生净极化效应。 压电效应在MEMS和微系统中主要应用于执行器和压力传感器和加速度计的动态信号转换器。 例7-3 已知：加速度计设计的可测量的最大加速度为10g。PZT换能器位于悬臂梁的支撑基底处，即悬臂梁弯曲时最大应变处，如图7.17。 求：在最大加速度为10g时，PZT膜的电压输出。 解： PZT所产生的电压可由式 得出。 等效弯曲载荷Peq：P
19、eq=ma=(10106 )(109.81)=98110-6 N 如图7.18，梁加速度计可等效为一个静态载荷悬臂梁，其自由端受等效力作用。 dV最大弯矩为：Mmax=PeqL=(981106 )（1000106 ）0.981106 N-m。由例4.7可求得I值为0.104210-18m4 。支撑端最大弯曲应力为： PalCM61866maxmax1036.235)101042. 0()1025)(10981. 0(C为梁截面高度的一半。梁的最大弯曲应变：mmE/1087.123109 . 11036.2355116maxmaxE1.91011 Pa PZT的应变为123.87105m/m，晶
20、体每米产生的电压为：mVddV/10258. 0104801087.1237125max压电系数d=4801012 m/VPZT晶体的实际长度l=4m换能器在10g载荷下产生的总电压为：v=Vl=(0.258107 )（4106 ）10.32V 例7-4 求采用PZT压电晶体驱动喷墨打印头喷出一滴液滴所需的电压。液滴的分辨率为每英寸300点 （dpi）。假定液滴的厚度为1m。打印头的形状和尺寸如图7.19。假定液滴的形状为球形，且墨水池在喷射后总被重新充满。解： 墨滴在纸上的分辨率为300-dpi。直径D=1in/300=84.67m。墨点是从直径d的球形墨滴产生的，可得出下面的关系：)(4(
21、3423tDr其中 r:球状墨滴的直径 t:纸上墨点的厚度。r11.04106mD=84.67mt1m压电层垂直膨胀W墨滴的体积：（/4）2W：压电层的直径，2000mmVWdot12261821083.1791)102000(1416. 31021.562944压电层应变为 mmLW/10183.17910101083.17916612单位长度的电压为 mVdV/103733. 01048010183.1796126由于层的厚度为10m，所需的电压为：v=LV=(1010-6 )（0.373310-6 ）3.733V6陶瓷 （压电材料） 在微机电系统所用的陶瓷材料是以化学合成的物质为原料，控
22、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技术中的应用 (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。作为基板材料的陶瓷材料 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。用于致动器和传感器的陶瓷材料 微致动器和微传感器所用的陶瓷材料是压电陶瓷材料。压电陶瓷材料是一
23、种电致伸缩材料，同时兼有正压电效应和逆压电效应。 常用压电陶瓷有钛酸钡(DT)、锆钛酸铅(BZT)、改性锆钛酸偏铌酸铅(PN)、铌酸铅钡锂(PBLN)、改性钛酸铅(PT)等 7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。 7.1 磁致伸缩金属 磁致伸缩金属是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。 7.2 形状记忆合金 形
24、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。 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。用背部的金属纤维振动翅膀（TOKI公司） 7.3 电流变液和磁流变液材料 电或磁的流变体是2种神奇的液体。它们经受电场或磁场作用时，
25、其粘性系数会发生巨变。当其处于常态下，可以很容易搅动；但是当其中有电流或磁流穿过时，它会突然间（ms级）变得很粘稠。电/磁流变体的应用 用于制造各种力学元器件，如： 离合器（具有无级可调、容易控制、响应速度高的特点）； 减震器（可在约1ms内实现由低粘度到高粘度的变化，从而可独立而迅速的实现减震）； 液压阀等。7.4 金刚石材料 主要应用在旋转电机、微齿轮及接触探头等有相对运动的活动接触部件，采用硅及其化合物材料，就容易被磨损。 其他如制成外科手术刀、金刚石薄膜微传感器、航天探测器上的金刚石窗户等。7.5 纳米材料 纳米材料，包括纳米金属、纳米半导体、纳米陶瓷及其他纳米固体材料，与常规的金属、
26、半导体、陶瓷及其他固体材料一样，都是又同样的原子组成，只是这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成纳米材料的结构粒子或结构单元。 纳米材料中基本颗粒的微小尺寸效应，致使材料中的结构颗粒或原子团大多数是不存在位错的，因而大大减少了材料内部的缺陷。 纳米材料对机械应力、光电及磁的反应完全不同于常规材料，在宏观上表现出异乎寻常的特性。 聚合物，包括塑料、粘接剂、有机玻璃和路赛特等多种材料，已经逐渐成为MEMS和微系统中的常用材料。 主要是由有机分子（主要是碳氢化合物）长链组成。这种组合的分子，即聚合体分子，可达几百纳米长。 二、聚合物特点 低机械强度 低熔点 差的电导率 7.1作为工业材料的聚合物
27、传统上，聚合体主要用于电子器件中的绝缘体、夹衬、电容薄膜，和集成电路中的冲模垫。 塑料是聚合体的特殊形式，已广泛用于机器和器件的零件。 聚合体用于工业材料的优点1. 重量轻2. 工艺简单3. 原材料和生产聚合体工艺的低成本4. 高耐腐蚀性5. 结构的高韧性6. 高形稳性7.2 用于MEMS和微系统的聚合体光阻聚合体被用于生产掩膜，通过光刻在衬底上产生想要的图形 聚合体已成为应用于MEMS和微系统中越来越重要的材料 同样的光阻聚合体在LIGA工艺中被用于制作具有MEMS器件几何形状的初模，以制造微器件部件导电聚合体可用于MEMS和微系统的有机 衬底铁电聚合体，其性质与压电晶体类似，可用于微器件中
28、的执行源 LB膜可用于制造多层微结构 具有独特性质的聚合体可用作毛细管的涂层物质，以加强微流体中的电渗作用 聚合体膜可用作微器件的电绝缘体和微电容器中的介电物质 聚合体广泛用于屏蔽微系统中的电磁干扰和射频干扰 聚合体是用于微传感器密封和微系统封装的理想材料7.3 导电聚合体 在微电子、MEMS和微系统中应用的聚合物，它们必须是导电的并且具有突出的空间稳定性。 随着控制聚合体材料电导率技术的成功发展，它们被用作一些MEMS部件的衬底。 表7.15 一些所选材料的电导率材料电导率，S/m*导体：铜106108碳104半导体：锗100硅10-4102绝缘体：玻璃10-10108尼龙10-141012
29、二氧化硅10-161014聚乙烯10-161014聚合体可通过三种方法变得导电 热解 基于邻苯二甲腈的焦化聚合物可通过加入胺并加热到600以上变得导电。 掺杂 通过加入原本导电的聚合体结构进行掺杂，如在聚合体主干中加入过渡金属原子，可导致聚合体导电。 加入导电纤维 在热固化和热弹性聚合体结构中加入导电填充物，可使聚合体导电。 7.4 Langmuir-Blodgett(LB)膜 LB工艺能产生单分子层，而且通过将各种化合物薄膜沉积到衬底上产生多层结构 LB薄膜是良好的铁磁、热和压电性质的候选材料。 LB薄膜可生产带有可控光学特性的 下面是LB薄膜在微系统中的一些应用 铁电聚合体薄膜 (PVDF ) 光特性可控的涂层材料 微传感器 7.5封装聚合物 硅片安装座粘接剂：锡铅焊料、环氧树脂、硫化硅橡胶 隔离保护：聚硅桐凝胶、聚硅桐油三、封装材料IC封装与微系统封装的区别 IC封装中，封装能够保护IC芯片和相互连接不受界环境影响就足够了 微系统封装，不仅要保护传感和执行单元，而且要求与相作用的介质相接触 微系统的封装材料 金属：金属引线，导线的金属层，铆/约束基底附件的焊料 陶瓷：封装外壳，约束基底
