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第3章用于MEMS和微系统的材料
3.1衬底
微系统中，衬底使用目的有两个：
支撑将机械动作转换为电输出或者反之的转换器
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
可用作为基板的材料：
Si
SiO2、SiC、Si3N4和多晶硅等
3.2.1Si
Si是地球上最丰富元素，重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
抱负的构造材料，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，是抱负的传感器和致动器的材料
硅晶片上容易制作涂层或者附加薄膜层
硅衬底制作工艺非常成熟
3.2.2单晶Si
必须采用单晶硅作为MEMS和微系统的衬底
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的晶体
拉伸机不停缓慢提高
不停拉伸及沉积，形成单晶硅芯棒
5
3.2.2单晶Si(续)
采用以上办法得到的单晶硅棒直径可达300mm、长度可达30英尺、大概400公斤
用金刚石砂轮切成薄片
晶圆原则尺寸：
4英寸：100mmX500um(厚度)
6英寸：150mmX750um
8英寸：200mmX1mm
12英寸：300mmX750um
6
3.2.3单晶Si构造
单晶硅基本为FCC构造
基本认为各向同性
硅晶体的三维构造示意图
原子数为12个
原子数为18个
7
3.2.4密勒指数
密勒指数普通用来指定晶面和晶向
一种平面与x、y、z相切
平面上的一点P(x,y,z)符合
另一种体现形式
立方构造晶体中，a=b=c=1
8
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)
3.2.5硅的力学性能
硅晶体重要晶面特性
(100)晶面包含最基本的原子数，因此晶面最弱，最易被加工
(110)晶面在微加工中可提供最干净的加工面
(111)晶面上相邻原子间晶格距离最短，因此最难加工
晶向密勒指数
杨氏模量(GPa)
剪切模量(GPa)
100
129.5
79.0
110
168.0
61.7
111
186.5
57.5
(100)晶面与(111)晶面间的角度为54.74°
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3.2.6MEMS材料力学和物理性能
屈服强度
sy
(109N/m2)
E
(1011N/m2)
r
(g/cm3)
C
(J/g-°C)
k
(W/cm°C)
a
(10-6/°C)
TM
(°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
Stainlesssteel
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
3.3硅化合物
微系统中惯用的三种硅化合物：
SiO2
SiC
Si3N4
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二氧化硅在微系统中的三个重要应用：
作为热和电的绝缘体
作为硅衬底刻蚀的掩膜
作为表面微加工的牺牲层
获取二氧化硅的两种办法：
干法氧化
3.3.1二氧化硅
湿法氧化(通入蒸汽)
特性
数值
密度(g/cm3)
2.27
电阻(W-cm)
1016
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
3.3.2碳化硅
碳化硅含有较好的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的抵抗力，是适宜的掩膜材料
碳化硅是生产单晶硅芯棒的副产品，可通过多个沉积办法生产碳化硅膜
3.3.3氮化硅
氮化硅能有效阻挡谁和离子的扩散
含有超强抗氧化和抗腐蚀的能力，适于做深层刻蚀的掩膜
可用作光波导以及避免水和其它有毒流体进入衬底的密封材料
用作高强度
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