电子科大微机电-MEMS课件--第二章

微机电系统MEMS&Microsystems—DesignandManufacture机械电子工程学院研究生专业选修课程第二章MEMS的设计内容提要MEMS的工程原理硅晶体结构与微观力学MEMS设计中的工程力学微尺度效应MEMS设计的基本问题MEMS设计的具体方法物质的原子结构基本的原子结构原子核质子中子电子●质子携带+电荷●电子携带–电荷●中子不带电荷质子数量=电子数量电子轨道●原子核包括了质子和中子例外：氢原子没有中子.●原子的外层轨道直径:2to3x10-8cm,or0.2-0.3nm.●质子的质量:1.67x10-24g●电子的质量:9.11x10-28g一、MEMS的工程原理物质的原子结构元素周期表世界上所有物质都是由96种稳定的元素和12种不稳定的元素组成原子数=原子核中的质子数BSiPGaGeAs周期表中的半导体常用元素一、MEMS的工程原理阴极阳极波束导向电极电子枪电子束电离室要离子化的介质:e.g.H2orHegasjet离子束释放的电子加速器高压供给离子与离子化什么是离子?离子是带电的原子或分子+离子=比中性状态包含更少电子的原子-离子=比中性状态包含更多电子的原子离子化=产生离子的过程能量供给：加热器利用电子束进行离子化的框图一、MEMS的工程原理物质的分子理论●所有物质都是由相连接的大量粒子组成，其连接在力或能量的作用下可以变形●分子可以由单原子组成，也可以由多种原子组成SiSiSiSiSi2H+O2H+O2H+O2H+O2H+O单原子分子(硅)双原子分子(水)化学键影响是什么呢？一、MEMS的工程原理吸引力排斥力分子间力分子键合，可变形标志着物质中的分子间力的存在●分子间力可以是“吸引力”也可以是“排斥力”-由分子间的距离决定●分子间作用力：vanderWaals力（范德华力）.分子间距ddodo=一对自然状态的分子的距离范德华力是表面微制造中薄膜粘连的主要原因，实质是一种静电力（基于库仑定律）一、MEMS的工程原理材料近似电阻率,ρ(Ω-cm)分类Silver(Ag)Copper(Cu)Aluminum(A)lPlatinum(Pt)-610-5.810-5.510-510导体Germanium(GE)Silicon(Si)GalliumArsenide(GaA砷化镓s)GalliumPhosphide(GaP磷化镓)1.5104.5108.0106.510半导体OxideGlassNickel(pure)DiamondQuartz(fused)91010.510131014101810绝缘体半导体掺杂掺杂是半导体工业制造晶体管的关键过程●分类方法建立在材料导电性能上，与材料中电子的移动阻力相关对MEMS重要的是半导体。将半导体材料通过掺杂变成导体的工艺称为“掺杂”另外硅基半导体材料的掺杂可以改变材料在物理或化学腐蚀中的抵抗力，为微加工技术中通用技术—自停止腐蚀。半导体的掺杂可以通过扩散工艺或离子注入工艺得到。一、MEMS的工程原理●掺杂的本质：改变原中的电子数量，电子不平衡，导致电子流动更容易●基础材料掺杂后多余电子将携带负电荷.●基础材料掺杂后缺少电子将携带正电荷●硅材料的掺杂可通过“离子注入”或“扩散”工艺获得Boron(B)atomfor+vechargeP型掺杂Arsenide(As)orPhosphorous(P)for–vecharge.N型掺杂SiSiSiB空穴AsSiSiSi额外电子SiP型掺杂SiN型掺杂半导体掺杂一、MEMS的工程原理硅片的加热与掺杂视频资料掺杂浓度,atoms/cm3掺杂强度掺杂剂的原子浓度决定的电阻特性变化不同的掺杂与硅的电阻特性的关系,Ω-cm扩散过程掺杂磷掺杂硼一、MEMS的工程原理扩散过程扩散过程=在一种材料的选定区域引入数量受控的异质材料。扩散的形式:气体–气体(e.g.气体混合，大气污染)液–液(e.g.墨水滴入清水中的扩散)气–固(e.g.金属氧化物)液–固(e.g.金属在水中的腐蚀)微制造中三种主要的扩散●半导体材料掺杂生成P-N结和压敏材料●半导体材料的氧化处理（Oxidationofsemiconductingmaterials）●化学气相沉积（ChemicalVaporDepositionprocesses）氧化硅表面，在基地表面沉积所需的不同材料的薄膜。在单晶基底表面生成外延层一、MEMS的工程原理扩散过程数学模型——菲克定律(Fick’slaw)，扩散工艺的基础液体B浓度,C2液体A,浓度,C1x液体A扩散进入液体B：假设C1C2:Ca=液体A距离初始接触面x位置的浓度（单位面积和时间t下）/m2-sXo=液面A和B的初始接触位置.Ca,xo,Ca,x=液体A在xo和x处的浓度x以差分形式表达的上述公式:其中D=液体A进入液体B的扩散率–材料特性，随温度增加而增加对MEMS制造的影响：扩散的持续时间t温度T。一、MEMS的工程原理0,,0axaxaCCCCxxXaCCDX扩散“扩散”是一种基本的掺杂技术。通过扩散可将一定种类和数量的杂质掺入硅片或其它晶体中，以改变其电学性质。掺杂可形成PN结、双极晶体管的基区、发射区、隔离区和隐埋区、MOS晶体管的源区、漏区和阱区，以及扩散电阻、互连引线、多晶硅电极等。在硅中掺入少量Ⅲ族元素可获得P型半导体，掺入少量Ⅴ族元素可获得N型半导体。掺杂的浓度范围为1014~1021cm-3，而硅的原子密度是5×1022cm-3，所以掺杂浓度为1017cm-3时，相当于在硅中仅掺入了百万分之几的杂质。掺杂技术的种类扩散离子注入中子嬗变一维菲克扩散方程本质上，扩散是微观粒子作不规则热运动的统计结果。这种运动总是由粒子浓度较高的地方向着浓度较低的地方进行，从而使得粒子的分布逐渐趋于均匀。浓度差越大，温度越高，扩散就越快。菲克第一定律：在一维情况下，单位时间内垂直扩散通过单位面积的粒子数，即扩散粒子的流密度J(x,t)，与粒子的浓度梯度成正比，即，(,)(,)NxtJxtDx式中，负号表示扩散由高浓度处向着低浓度处进行。比例系数D称为粒子的扩散系数，取决于粒子种类和扩散温度。典型的扩散温度为900℃~1200℃。D的大小直接表征着该种粒子扩散的快慢。将菲克第一定律22(,)(,)NxtNxtDtx针对不同边界条件和初始条件可求出方程的解，得出杂质浓度N(x,t)的分布，即N与x和t的关系。上式又称为菲克第二定律。假定杂质扩散系数D是与杂质浓度N无关的常数，则可得到杂质的扩散方程(,)NxtJtx代入连续性方程(,)(,)NxtJxtDx扩散的原子模型杂质原子在半导体中进行扩散的方式有两种。以硅中的扩散为例，O、Au、Cu、Fe、Ni、Zn、Mg等不易与硅原子键合的杂质原子，从半导体晶格的间隙中挤进去，即所谓“填隙式”扩散；而P、As、Sb、B、Al、Ga、In等容易与硅原子键合的杂质原子，则主要代替硅原子而占据格点的位置，再依靠周围空的格点（即空位）进行扩散，即所谓“替位式”扩散。填隙式扩散的速度比替位式扩散快得多。扩散过程一维固-固扩散公式以在硅中掺杂B硼，As砷或P磷为例，假定J为扩散到基板材料中的异质材料的原子（分子）数D=扩散率，异质材料掺杂进入基底材料的扩散系数m2/-sC=异质材料掺杂进入基底材料的浓度，atoms/m3.选定材料的扩散因子（系数）CJDxAtoms/m2-s（Kovacs,1998）一、MEMS的工程原理扩散过程固体的固溶度“温度越高→越高效的溶解效率”在固-固扩散中并不总是成立！每种材料都有一个最佳温度，使其可以在基底表面达到最大溶解度。≈1220oCforAs(-veSi)≈1350oCforB(+vesi)≈1230oCforP(-veSi)掺杂在硅材料中扩散中的最大掺杂剂浓度称为固溶度。一、MEMS的工程原理C(x,t)2x2DC(x,t)t扩散过程扩散方程浓度C（x,t)是在一定的基底中的深度x和时间t下的值。固-固扩散情况下，通过求解菲克定律中导出的下述形式的扩散方程得到：Foreignmaterial开窗的掩模板浓度为Cs的杂质材料热基底材料浓度为C(x,t)的扩散材料边界条件:C(x,0)=0;C(0,t)=Cs;C(∞,t)=0X扩散方向满足该条件的偏微分方程结果为：其中——erfc(X)补余误差函数,erfc(X)=1-erf(X)erf(X)是误差函数，可查下页表获得.X=0(,)()2sxCxtCerfcDt注意参数的含义及使用一、MEMS的工程原理Xerf(X)Xerf(X)Xerf(X)Xerf(X)0.00.00.050.05640.550.56331.050.86241.550.97160.100.11250.600.60391.100.88021.600.97630.150.16800.650.64201.150.89611.650.98040.200.22270.700.67781.200.91031.700.98380.250.27630.750.71121.250.92291.750.98670.300.32860.800.74211.300.93401.800.98910.350.37940.850.77071.350.94381.850.99110.400.42840.900.79691.400.95231.900.99230.450.47550.950.82091.450.95971.950.99420.500.52051.000.84271.500.96612.000.9953扩散过程选定变量的误差函数Example:erf(1.25)=0.9229一、MEMS的工程原理如果数值不在表中怎么办？计算掺杂扩散的例子查材料扩散系数并计算Xerf(X)Xerf(X)Xerf(X)Xerf(X)0.00.00.050.05640.550.56331.050.86241.550.97160.100.11250.600.60391.100.88021.600.97630.150.16800.650.64201.150.89611.650.98040.200.22270.700.67781.200.91031.700.98380.250.27630.750.71121.250.92291.750.98670.300.32860.800.74211.300.93401.800.98910.350.37940.850.77071.350.94381.850.99110.400.42840.900.79691.400.95231.900.99230.450.47550.950.82091.450.95971.950.99420.500.52051.000.84271.500.96612.000.9953查误差函数表并计算等离子体物理Plasma●携带电子电荷的气体，高能等离子体●MEMS中等离子体用于“敲击”基底的特定位置-“干蚀刻加工方法”,或在CVD中携带化学物质附着基底Productionofplasma阳极阴极被离子化的气体电离分裂激发复合真空度10-3-1Torr等离子体电势阳极阴极电离分裂激发复合真空度10-3-1Torr等离子体电势RF使用高电场:使用高射频能源:被离子化的气体一、MEMS的工程原理离子注入过程等离子体物理等离子体等离子体的产生阳极阴极被离子化的气体电离分裂激发复合真空度10-3-1Torr等离子体电势阳极阴极电离分裂激发复合真空度10-3-1Torr等离子体电势RF使用高电场:使用高射频能源:被离子化的气体一、MEMS的工程原理电化学法微制造中使用的电化学法主要有两种:●电解●电液动力学电解在电解池液体中通过电流可以在电解液中产生带电离子。因为电流是电子的流动，所以电流中的自由电子可以改变流体分子中的原子结构，这就产生带不平衡电子的原子，也就在溶液中生