硅晶体结构和微观力学ppt课件.ppt

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1、微机电系统微机电系统设计与制造MEMS&Microsystems—DesignandManufacture机械电子工程学院研究生专业选修课程金刚石立方形式=面心立方结构+沿对角线错位1/4晶格常数a=5.43Å每一个硅原子和与之紧邻的4个硅原子组成一个正四面体结构二、硅晶体结构与微观力学分析假设1、硅的晶面/晶向硅的晶胞结构硅–理想的MEMS基底材料●地球上非常丰富，但一般以化合物存在。●单晶硅广泛用于MEMS和微系统中作为基底材料(1)稳定的机械性能，可以在同一个基底上集成电子设备（半导体特性）(2)P/N压阻对信号传递的影响，可以很容易集成在基底上制作电

2、路。(3)理想的结构材料：弹性模量=钢(∼2x105MPa),密度=铝（2.3g/cm3）.为什么使用广泛？(6)无机械滞后，动态响应好，是理想的感器和执行器材料。(7)硅晶片非常平坦，制作的涂料和额外的薄膜可作为一体会的结构件，或承担精确的机电功能。(8)设计和制作上的柔性。作为基底材料其处理/制作过程容易操作。(4)硅熔点=1400oC,=2倍铝熔点，稳定(5)热膨胀系数硅=1/8钢，1/10铝硅–理想的MEMS基底材料纯硅晶圆晶柱切割成薄盘（晶圆）用金刚石锯晶圆的标准尺寸:100mm(4”)diameterx500µm厚度.150mm(6”)diame

3、terx750µm厚度.200mm(8”)diameterx1mm厚度300mm(12”)diameterx750µm厚度(tentative).300mmwafer200mmwaferApuresiliconboule纯硅晶柱能生长达400kg，直径300mm，30英寸长晶体生长切片石墨加热器SiMeltSi晶体抛光晶圆高温退火炉退火晶圆无缺陷表面退火(表面改性）表面缺陷检查抛光晶片晶圆制造过程晶圆制造过程(续)SiC+SiO2→Si+CO+SiO88die200-mm晶圆(P4)232die300-mm晶圆12英寸(40/45nm)Si基底drainSi

4、基板顶部保护层金属层绝缘层嵌入式导电层导电层单晶硅晶体结构●单晶硅结构基本上是一种面心立方结构.●典型FCC晶体结构如下：z原子晶格byx注意：结构的总原子数：8个位于角上+6个位于面上=14个原子单晶硅晶体结构●晶体结构中，内部有4个额外的原子●硅晶体结构的特性——类似效果AB(a)合并2个FCC结构(b)合并后的晶体结构●一个单晶硅中的原子个数总和=18.●非对称分布在晶体内的原子使纯硅表现出各向异性的机械性能●总体上，我们把硅当成各向同性材料cxy米勒指数---晶面指数●晶面在三个晶轴上截距的倒数的一组最小整数比。常用于标记晶面。zbP(x,y,z)a

5、●平面与坐轴的关系，截距a,b,c.●对位于平面上的一点P(x,y,z)●平面方程P(x,y,z)s:=1++zcybxa(2.1)变形后的方程hx+ky+mz=1（2.2)定义h=1/a,k=1/b及k=1/c.●米勒指数包含了:(hkm)=代表一个平面;=与指定平面垂直的平面.（这样就可以指定立方晶体中的三个平面）●注:在硅晶体中，a=b=c=1立方晶体中三个不同平面xyxyxyz图az图bz图c顶面：Plane(001)右面：Plane(010)前面：Plane(100)对角线面：Plane(110)倾斜面：Plane(111)晶面与晶面族—

6、—（），三点性质。一般简称晶面不平行的晶面族——{}晶向——[]xyxyy(x)<100>硅晶体的三个主要平面(y)<001>z(001)(100)(010)The(100)groupThe(110)groupz(z)<010>The(111)groupzx0.768nm硅晶体的三个主要平面0.543nm(100)面0.768nm(110)面对角线面0.768nm(111)面倾斜面●主平面特征：(1)(100)面包含最少的原子数→最薄弱的面→最易加工(2)(110)面提供了微制造中最清洁的面(3)(111包含了原子间最短的键→最强硬的面→最难加工注意:(10

7、0)面与(111)面的角度54.74度硅单晶原子密度（111）>（110）>（100）扩散速度、腐蚀速度[111]<[110]<[100]米勒指数的取向杨氏模量,E(GPa)剪切模量,G(GPa)<100>129.579.0<110>168.061.7<111>186.557.5硅晶体在不同方向上杨氏弹性模量和剪切弹性模量屈服强度92(10N/m)杨氏模量112(10N/m)质量密度3(g/cm)比热容o(J/g-C)热导率o(W/cm-C)热膨胀系数-6o(10/C)熔点o(C)Si7.001.902.300.701.572.331400SiC21.007

8、.003.200.673.503.302300SiN