微机电系统功能材料 微机械制造技术_1

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1、微机电系统功能材料参赛选手：*****MEMS常用材料半导体材料：硅及其化合物等。电致伸缩材料：压电陶瓷、氧化锌、石英等。磁致伸缩材料：镍铁合金等。形状记忆材料：镍钛合金等。其它：特殊功能聚合物、复合材料及人工构造薄膜材料、电流变液或磁流变液材料、纳米相材料等。选用依据及实例：具体设计时，应根据微型元器件的功能，选用能获取系统性能的材料。例如、对于起制动作用的器件，应选用压电陶瓷、石英、镍钛记忆合金等材料；用做器件和衬底的绝缘层，则可选用硅的氧化层或等。硅及其化合物材料1、单晶硅；2、多晶硅；3、硅－蓝宝石；4、化合物半导体材料；5、SiC薄膜材料。导体

2、、半导体及绝缘体导体：电阻率半导体：电阻率绝缘体：电阻率常用材料的电阻率硅材料特性1、硅在集成电子线路和微电子器件生产中有着广泛的应用，主要是利用硅的机械特性和电学特性。2、特殊的晶体结构使其具有各项异性，通过掺杂获得的p型硅和n型硅具有不同的导电性能和机械性能。3、储量丰富，成本低；材质的内含杂质极少，易于提纯，纯型硅的杂质含量可降至十亿分之一，因而本身的内耗少，力学性能稳定。4、硅材料质量轻，密度是不锈钢的1／3.5。5、弯曲强度高，为不锈钢的3.5倍。6、硅的熔点高（1400），约为铝的两倍，高熔点使其具有良好的高温稳定性。7、硅的热膨胀系数比钢小

3、8倍，比铝小10倍。8、具有很好的导热性，是不锈钢的5倍。9、机械品质因数可高达，硅没有机械迟滞性能，是理想的传感器和致动器材料。10、与微电子集成电路工艺兼容，易与微机械和微电子线路集成；便于实现批量化生产。硅的晶体结构对于硅的原子，硅的晶格几何结构并不均匀，但是硅基本上是面心立方体晶胞。典型的面心立方单位晶胞如图所示。一个硅的单位晶胞有18个原子，其中8个原子在角部，6个原子在面上，4个原子在内部。硅晶胞的主平面前平面（100）、对角面（110）、倾斜面（111）三个主平面（晶面）上的硅原子硅材料的各向异性（111）平面上相邻原子间的晶格距离最短，使

4、该平面的原子间的吸引力大于其它两个平面。同时，该平面包含单位晶胞面心的四个原子的三个，因此，该平面晶体生长最慢，刻蚀等加工过程进行的也最慢。单晶硅的生产生产单晶硅盘或“硅片”的步骤如下：原材料的准备和清理；高纯和多晶硅的生产；单晶硅的生长；单晶硅的机械加工。硅原材料的制取原料硅可以由原材料石英砂进行还原而制得。这一提取过程在用碳作电极的电弧炉中进行，可以得到纯度为98％的“冶金级硅”。单晶硅的提纯经过连续分馏、逆向反应及气化分离，可以得到固态的“电子级硅”，其纯度可达:1，它可以作为单晶硅生产的原料。单晶硅的生长或“拉制”常用方法：Czochralski

5、(简称为CZ法)和悬浮区法。直拉单晶制造法（Czochralski，CZ法）是把原料多硅晶块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热融化，再将一根直径只有10mm的棒状晶种（称籽晶）浸入融液中。在合适的温度下，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。把晶种微微的旋转向上提升，融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定，就可以周而复始的形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶锭。当结晶加快时，晶体直径会变粗，提高升速可以使直径变细，增加温度能抑制结晶速

6、度。反之，若结晶变慢，直径变细，则通过降低拉速和降温去控制。拉晶开始，先引出一定长度，直径为3～5mm的细颈，以消除结晶位错，这个过程叫做引晶。然后放大单晶体直径至工艺要求，进入等径阶段，直至大部分硅融液都结晶成单晶锭，只剩下少量剩料。控制直径，保证晶体等径生长是单晶制造的重要环节。硅的熔点约为1450℃，拉晶过程始终保持在高温负压的环境中进行。直径检测必须隔着观察窗在拉晶炉体外部非接触式实现。拉晶过程中，固态晶体与液态融液的交界处会形成一个明亮的光环，亮度很高，称为光圈。它其实是固液交界面处的弯月面对坩埚壁亮光的反射。当晶体变粗时，光圈直径变大，反之则

7、变小。通过对光圈直径变化的检测，可以反映出单晶直径的变化情况。自动直径检测就是基于这个原理发展起来的。硅CZ法提纯原理单晶硅的机械加工硅的掺杂N型硅和P型硅－半导体材料P型硅是在纯硅材料中加入了硼（B）原子：由于B原子外面带有3个正电荷，这样当两种原子结合到一起形成共价键时，产生空穴。N型硅是在纯硅材料中加入了砷（As）或磷（P）原子：由于硅原子外面为带有4个正电荷，而As或P原子外面带有5个正电荷，这样当两种原子结合到一起形成共价键时，产生游离电子。掺杂破坏的纯硅材料电子的平衡，促使电子流动加剧，导电性能得到提高。掺杂浓度越高，电阻率越低，越容易导电，

8、多晶硅多晶硅是许多单晶(晶粒)的聚合物。这些晶粒的排列是无序的，不同晶粒有不同的