MEMS所使用的硅基材料

诸葛面 · 发表于 2013-9-17 21:54:11

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微电子机械系统（MEMS）领域是上个世纪90年代发展最迅猛的技术领域之一。MEMS器件中每个材料的特性都影响着器件的性能，如果想要对MEMS有全面的了解，就必须对构成器件的材料进行了解。通常，加工一个MEMS器件需要经过在衬底上生长结构层、牺牲层、掩膜层等多步工序，因此，与加工工序相关的刻蚀选择比、材料粘附性、微结构性质等就成为了设计过程必须考虑的因素。MEMS器件由多种材料构成，而且每种材料都在MEMS中发挥着不可替代的作用。
MEMS中所使用的硅基材料（属于广义上的陶瓷材料）主要有如下几类。
一：单晶硅
单晶硅的晶格为金刚石结构,它的电子禁带宽度为1.1eV，同其它半导体材料一样，可以通过掺杂来改变其电导率。磷（P）是常用的n型杂质，而硼（B）为常用的p型杂质。硅的表面覆盖着一层固态二氧化硅（SiO2），在大多数条件下SiO2的化学特性非常稳定。单晶硅是一种很脆的材料，其杨氏模量约为190GPa（钢的杨氏模量大约为210GPa）。
在MEMS应用中，单晶硅起到了几个最关键的作用。单晶硅是最通用的体加工材料，因为它有良好的各向异性腐蚀特性以及与掩膜材料的兼容性。在表面微机械加工中，不管器件结构本身是不是硅材料，单晶硅衬底都是最理想的MEMS结构平台。而在硅基集成MEMS器件中，单晶硅又是IC器件中的首要载体材料。
二：多晶硅
多晶硅具备比单晶硅更优越的机械性能，多晶硅与SiO2之间具有较高的刻蚀选择比。在MEMS器件制作过程中，多晶硅薄膜在淀积之后一般要进行一次或多次高温工艺处理（如注入、热氧、退火等）。这些高温工艺会导致多晶硅晶粒再晶化，使薄膜的晶向改变，平均晶粒尺寸也会显著增加，同时多晶硅薄膜的表面粗糙度也随之增加，当然这是不希望出现的，光滑的表面对于许多微结构是至关重要的，因为粗糙度会限制图形分辨率，且粗糙表面伴随的缺陷可能导致后期器件的失效。为解决此问题，一般采用化学机械抛光（ CMP）来降低表面粗糙度。
三：多孔硅
多孔硅是另一种类型的硅基材料。高面积-体积比使多孔硅在MEMS应用中极具潜力，已经在气体、流体方面得到应用，如用于化学和质量传感的过滤膜吸收层。高面积-体积比还使多孔硅可以作为形成厚热氧层的初始材料，因为合适的孔径可以满足热氧时的体积膨胀。当采用单晶硅制备多孔硅膜时，未被腐蚀的单晶硅还可作为外延生长的平台。已有实验证明，CVD薄膜不会进入到多孔区内，而是覆盖在硅片表面孔上同样，将电化学腐蚀、外延、干法刻蚀（产生通道）和热氧等工艺合理结合，利用多孔硅可以在绝缘层上形成局部硅结构。多孔硅在MEMS中的一个重要应用是做牺牲层，硅结构层的电气隔离可以通过选择注入形成pn结实现，或者采用绝缘薄膜。虽然弱的硅腐蚀剂会强烈腐蚀多孔区，由于孔只会在施加了电压的表面产生，所以对硅结构层的影响很小。因此，多孔硅特别适合那些在HF酸中稳定并耐高温的微加工工艺。
四：二氧化硅
SiO2可以热生长在硅衬底上，也可以通过工艺手段淀积在硅衬底上。在多晶硅表面微加工技术中
，SiO2常作为牺牲层材料。此外，SiO2也被用作干法刻蚀多晶硅膜的刻蚀掩膜，因为SiO2与多晶硅的干法刻蚀剂不发生化学反应。
常用的SiO2生长和淀积工艺是热氧化和LPCVD。等离子体增强化学气相淀积（PECVD）可以淀积低应力、非常厚的SiO2膜，用做微机械的绝缘层，选择PECVD的主要原因是它能在适当的速率下淀积较厚的SiO2膜。
五：氮化硅
Si3N4是MEMS中应用十分广泛的绝缘、表面钝化、刻蚀掩膜和机械结构材料。通常用两种方法淀积Si3N4薄膜：LPCVD和PECVD。PECVD Si3N4一般为非化学计量配比而且可能含有较大浓度的氢。由于膜的多孔性，PECVD Si3N4在HF中的腐蚀速率很快（如通常高于热氧化SiO2），这限制了它在微加工的应用。但是，PECVD提供了淀积零应力Si3N4膜的可能，这是很多MEMS应用梦寐以求的，尤其在密封和封装领域。与PECVD不同，LPCVD Si3N4对于化学侵蚀非常有抵抗力，因而使得它成为很多MEMS加工的首选材料。
六：碳化硅
SiC由于有良好的机械性能和电性能而受到人们越来越多的关注。SiC表现出高强度、大刚度、内部残余应力低，有较好耐高温和耐腐蚀性，能克服硅基材料不适合在恶劣的环境下工作的缺点。这些特性使SiC适合制造高温、高功率及高频电子器件、高温半导体压力传感器。目前已经开发出碳化硅高温温度、气体、压力传感器。已开发的高温温度传感器有刚玉基片上的SiC热敏电阻和硅衬底上的SiC热敏电阻两种。高温气体传感器是以6H-SiC为主要材料。