微系统薄膜材料的制备方法

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(上一次课)光刻： 三要素(光刻胶、光刻模板、对准曝光机)

五步骤(基片前处理、匀胶、前烤、对准曝光 、后烤、除胶)

蚀刻之前的等 离子体清胶

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微系统的重要材料——硅衬底的补充说明 晶体结构：近似面心立方晶格(实际FCCA+FCCB,晶胞含 8+6+4个原子、晶格常数0.543nm); 密勒指数：设初基胞(面心立方)置于xyz坐标系中，平行于 坐标平面的为(100)晶面族、平行于某一坐标轴的对角线平面 为(110)晶面族、与三个轴都等节距相交的平面为(111)晶面族； 表现出力学常数、加工特性等方面的各项异性； 机电特性：薄膜状态弹性极好；导电性在10-3-108之间可调；

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硅压电电阻 压阻现象：固体在受到应力作用时其电阻率发生的变化 的现象。P型或N型硅都具有优良的压阻效应(1954年 Smith发现)。 硅晶体各向异性的事实使得电阻率-应变变化关系变得比 较复杂 {△R}=[ ]{σ} 其中，{△R}={△Rxx△Ryy△Rzz△Rxy△Rxz△Ryz}T代表与应力分量{σ}={σxx σyy σzz σxy σxz σyz}T相对应的无限小立方体压阻单元的

电阻率变化。在应力分量的六个独立分量中，三个是正 应力分量，三个是切应力分量。[ ]为压阻系数矩阵。

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[ ] =三个系数的实际值与 与压阻元件方向和晶 体晶格的夹角有关

11 12 12 0 0 0

12 12 0 0 0 11 12 0 0 0 12 11 0 0 0 0 0 44 0 0 0 0 0 44 0 0 0 0 0 44

式中仅出现了 11、 12和 44三个独立系数。展开为等式如下与正应力分量 有关

△Rxx= 11σxx+ 12(σyy+ σzz) △Ryy= 11σyy+ 12(σxx+ σzz) △Rzz= 11σzz+ 12(σxx+ σyy)与切应力分量 有关

△Rxy= 44σxy; △Rxz= 44σxz ; △Ryz= 44σyz

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室温下〈100〉取向P型和N型硅电阻率和压阻系数参见表7-8。 这是在三维结构中压阻的描述。 在MEMS中，主要以薄带状压阻形式。因此只要考虑x、y两 个方向的平面应力。对于p型硅，最大压阻系数为 44=138x1011/Pa,对于n型硅 =102x10-11/Pa。因此一般采用P型材料作压 11 阻。平面压阻的典型形式和各个方向的压阻系数见图7-14和 表7-9。 压阻元件的电阻变化计算： △R/R= LσL+ TσT包含纵向、横向压阻系 数及尺寸变化因素 对温度的依赖性强，具体见 表7-10。同一个元件在120 ℃ 时其压阻技术损失27%

看例题7-3

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90°主平面(110) 主平面(110)

N-(100) P-(100)135°

主平面(110) 主平面(110)

P-(111) 90°

N-(111) 45°

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----硅化合物： 物性特点、MEMS中应用和制备方法 二氧化硅(SiO2): 作用：热和电的绝缘体(表7-1-电阻率1016Ωcm; 表7-3-热导率 0.014w/cm℃);作为硅刻蚀掩模(KOH中200:1); 作为牺牲层。 制备方法有：干、湿氧化、CVD、溅射。 作用：耐高温器

件(高温下尺寸和化学性质稳定,熔点2300 ℃); 在KOH、 HF中刻蚀保护； 制备方法：CVD、溅射等各种沉积技术。

碳化硅(SiC):

氮化硅(Si3N4,力学/热学特性比SiO2好)

作用：扩散、离子注入掩模(阻挡水及金属离子扩散、);深层刻蚀 掩模(超强抗腐蚀能力);绝缘层；光波导；防止有毒流体侵入的密封 材料。CVD法制备。

多晶硅(力学/热学特性各向同性) 作用：电阻、压阻、简易欧姆接触等广泛用途。 常用LPCVD法制备。

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微系统薄膜材料的制备方法内容: 1 薄膜材料的物理汽相沉积-热蒸发 2 离子溅射镀膜 3 高温扩散和离子注入 4 薄膜材料的化学汽相沉积---CVD法 5溶胶凝胶。

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薄膜材料是相对于体材料而言的，是人们采用特殊的方法，在体 材料的表面沉积或制备的一层性质于体材料完全不同的物质层。薄 膜材料受到重视的原因在于它往往具有特殊的材料性能或材料组合。薄膜材料之所以能够成为现代材料科学各分支中发展最为迅速的一个 分支，至少有以下三个方面的原因∶1 现代科学技术的发展，特别是微电子技术的发展，打破了过去体材料的一 统天下。过去需要众多材料组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数几个器 件或一块集成电路就可以完成。薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有 效的技术手段。 2 器件的微型化不仅可以保持器件原有的功能，并使之更强化，而且随着器件 的尺寸减小并接近了电子或其他粒子量子化运动的微观尺度，薄膜材料或其器 件将显示出许多全新的物理现象。薄膜技术作为器件微型化的关键技术，是制 备这类具有新型功能器件的有效手段。 3 每种材料的性能都有其局限性。薄膜技术作为材料制备的有效手段，可以将 各种不同的材料灵活地复合在一起，构成具有优异特性的复杂材料体系，发 挥每种成分的优势，避免单一材料的局限性

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