【正文】 ? 特點：具有優(yōu)異的物理、化學及電學性能， 高強度（是單晶硅的 3倍） 、大剛度、內(nèi)部的殘余應力很低，較高的壓阻系數(shù)， 熔點高（ 2300 ） 。 （ 所以利用硅－藍寶石可以制作出具有耐高溫、耐腐蝕及抗輻射等優(yōu)越性能的傳感器和電路） SiC 薄膜材料 ? SiC是一種特殊環(huán)境下使用的化合物半導體。 23A l O?硅－藍寶石特點 ? 藍寶石材料為絕緣體； ? 藍寶石材料的遲滯和蠕變小到可以忽略不計； ? 藍寶石化學穩(wěn)定性好，耐腐蝕，抗輻射性能 強； ? 藍寶石機械強度高。 2 3 4S iO , S i N多晶硅敏感電阻壓力傳感器 多晶硅壓阻膜壓力傳感器輸出特性 硅－藍寶石（ SOS） ? 硅－藍寶石材料是通過外延生長技術(shù)將硅晶體生長在藍寶石（ ）襯底上形成的。 多晶硅的特點 ? 具有較寬的工作溫度范圍（－ 60度～＋ 300度）； ? 可調(diào)的電阻率特性； ? 可調(diào)的的溫度系數(shù)； ? 較高的應變靈敏系數(shù)及容易調(diào)整。 其中 G1是縱向應變靈敏系數(shù)，最大值約為金屬應變計最大值的 30倍，為單晶硅電阻應變靈敏系數(shù)最大值的 1／ 3。 ? 電阻應變靈敏系數(shù) 隨摻雜濃度的增加 而略有降低。隨摻雜原子濃度不同，其電阻率可在較寬數(shù)值范圍內(nèi)變化。現(xiàn)就多晶硅的電阻率、電阻溫度系數(shù)及電阻應變靈敏系數(shù)與摻雜原子濃度的關(guān)系論述如下。這些晶粒的排列是無序的，不同晶粒有不同的單晶取向，而每一晶粒內(nèi)部有單晶的特征，因而在熱分析和結(jié)構(gòu)分析時可看作各向同性材料。 ? 摻雜破壞的純硅材料電子的平衡，促使電子流動加劇，導電性能得到提高。 硅 CZ 法提純原理 單晶硅的機械加工 硅的摻雜 N型硅和 P型硅－半導體材料 ? P型硅是在純硅材料中加入了硼（ B）原子：由于 B原子外面帶有 3個正電荷，這樣當兩種原子結(jié)合到一起形成共價鍵時，產(chǎn)生空穴。通過對光圈直徑變化的檢測，可以反映出單晶直徑的變化情況。它其實是固液交界面處的彎月面對坩堝壁亮光的反射。直徑檢測必須隔著觀察窗在拉晶爐體外部非接觸式實現(xiàn)。 ? 控制直徑，保證晶體等徑生長是單晶制造的重要環(huán)節(jié)。拉晶開始，先引出一定長度，直徑為 3～ 5mm的細頸，以消除結(jié)晶位錯，這個過程叫做引晶。當結(jié)晶加快時，晶體直徑會變粗，提高升速可以使直徑變細，增加溫度能抑制結(jié)晶速度。把晶種微微的旋轉(zhuǎn)向上提升，融液中的硅原子會在前面形成的單晶體上繼續(xù)結(jié)晶，并延續(xù)其規(guī)則的原子排列結(jié)構(gòu)。 910? 直拉單晶制造法（ Czochralski， CZ法）是把原料多硅晶塊放入石英坩堝中，在單晶爐中加熱融化 ，再將一根直徑只有 10mm的棒狀晶種（稱籽晶）浸入融液中。 2S iO 2C S i + 2CO?＋? 單晶硅的提純 經(jīng)過連續(xù)分餾、逆向反應及氣化分離，可以得到固態(tài)的 “ 電子級硅 ” ，其純度可達 :1，它可以作為單晶硅生產(chǎn)的原料。 ? 硅原材料的制取 原料硅可以由原材料石英砂進行還原而制得。同時，該平面包含單位晶胞面心的四個原子的三個，因此，該平面晶體生長最慢，刻蝕等加工過程進行的也最慢。 ? 一個硅的單位晶胞有 18個原子，其中 8個原子在角部， 6個原子在面上， 4個原子在內(nèi)部。 0C610 硅的晶體結(jié)構(gòu) ? 對于硅的原子，硅的晶格幾何結(jié)構(gòu)并不均勻，但是硅基本上是面心立方體晶胞。 ? 機械品質(zhì)因數(shù)可高達 ，硅沒有機械遲滯性能，是理想的傳感器和致動器材料。 ? 硅的熱膨脹系數(shù)比鋼小 8倍，比鋁小 10倍。 ? 彎曲強度高，為不銹鋼的 。 ? 儲量豐富，成本低；材質(zhì)的內(nèi)含雜質(zhì)極少，易于提純，純型硅的雜質(zhì)含量可降至十億分之一，因而本身的內(nèi)耗少，力學性能穩(wěn)定。 導體、半導體及絕緣體 ? 導 體： 電阻率 ? 半導體： 電阻率 ? 絕緣體： 電阻率 310 cm? ?? ? ?3810 10c m c m?? ? ? ? ? ? ?810 cm? ? ? ? 常用材料的電阻率 硅材料特性 ? 硅在集成電子線路和微電子器件生產(chǎn)中有著廣泛的應用，主要是利用硅的機械特性和電學特性。 例如、對于起制動作用的器件，應選用壓電陶瓷、石英、鎳鈦記憶合金等材料；用做器件和襯底的絕緣層，則可選用硅的氧化層 或 等。 ? 其它： 特殊功能聚合物、復合材料及人工構(gòu)造薄膜材料、電流變液或磁流變液材料、納米相材料等。 ? 磁致伸縮材料： 鎳鐵合金等。第二部分 微機電系統(tǒng)功能材料 MEMS 常用材料 ? 半導體材料： 硅及其化合物等。 ? 電致伸縮材料 ：壓電陶瓷、氧化鋅、石英等。 ? 形狀記憶材料： 鎳鈦合金等。 ? 選用依據(jù)及實例： 具體設(shè)計時，應根據(jù)微型元器件的功能，選用能獲取系統(tǒng)性能的材料。 2SiO 34Si N硅及其化合物 材 料 ? 單晶硅； ? 多晶硅； ? 硅－藍寶石； ? 化合物半導體材料； ? SiC薄膜材料。 ? 特殊的晶體結(jié)構(gòu)使其具有各項異性，通過摻雜獲得的 p型硅和 n型硅具有不同的導電性能和機械性能。 ? 硅材料質(zhì)量輕，密度是不銹鋼的 1／ 。 ? 硅的熔點高（ 1400 ），約為鋁的兩倍，高熔點使其具有良好的高溫穩(wěn)定性。 ? 具有很好的導熱性，是不銹鋼的 5倍。 ? 與微電子集成電路工藝兼容，易與微機械和微電子線路集成；便于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。典型的面心立方單位晶胞如圖所示。 硅晶胞的主平面 ? 前平面（ 100）、對角面（ 110）、傾斜面（ 111） ? 三個主平面（晶面）上的硅原子 硅材料的各向異性 ? （ 111）平面上相鄰原子間的晶格距離最短，使該平面的原子間的吸引力大于其它兩個平面。 單晶硅的生產(chǎn) ? 生產(chǎn)單晶硅盤或 “ 硅片 ” 的步驟如下： 原材料的準備和清理；高純和多晶硅的生產(chǎn)；單晶硅的生長；單晶硅的機械加工。 這一提取過程在用碳作電極的電弧爐中進行，可以得到純度為 98％的 “ 冶金級硅 ” 。 ? 單晶硅的生長或 “ 拉制 ” 常用方法： Czochralski(簡稱為 CZ法 )和懸浮區(qū)法。在合適的溫度下，融液中的硅原子會順著晶種的硅原子排列結(jié)構(gòu)在固液交界面上形成規(guī)則的結(jié)晶，成為單晶體。若整個結(jié)晶環(huán)境穩(wěn)定，就可以周而復始的形成結(jié)晶，最后形成一根圓柱形的原子排列整齊的硅單晶晶體，即硅單晶錠。反之，若結(jié)晶變慢，直徑變細，則通過降低拉速和降溫去控制。然后放大單晶體直徑至工藝要求，進入等徑階段，直至大部分硅融液都結(jié)晶成單晶錠，只剩下少量剩料。硅的熔點約為 1450℃ ，拉晶過程始終保持在高溫負壓的環(huán)境中進行。拉晶過程中，固態(tài)晶體與液態(tài)融液的交界處會形成一個明亮的光環(huán)，亮度很高，稱為光圈。當晶體變粗時，光圈直徑變大，反之則變小。自動直徑檢測就是基于這個原理發(fā)展起來的。 ? N型硅是在純硅材料中加入了砷（ As）或磷（ P）原子：由于硅原子外面為帶有 4個正電荷，而 As或P原子外面帶有 5個正電荷，這樣當兩種原子結(jié)合到一起形成共價鍵時，產(chǎn)生游離電子。摻雜濃度越高，電阻率越低，越容易導電， 多 晶 硅 ? 多晶硅是許多單晶 (晶粒 )的聚合物。 ? 晶粒與晶粒之間的部位叫晶界，晶界對其電特性的影響可以通過控制摻雜原子濃度來調(diào)節(jié)。 電阻率隨摻 B原子濃度的關(guān)系 ? 多晶硅膜的電阻率比單晶硅的高，特別是在低摻雜原子濃度下，多晶硅電阻率迅速提高。 電阻溫度特性隨摻雜原子濃度的關(guān)系 多晶硅電阻隨溫度的變化特性 電阻溫度系數(shù)隨摻雜原子濃度的關(guān)系 多晶硅電阻應變靈敏特性 ? 壓縮時，電阻下降，拉伸時，電阻上升。 多晶硅電阻應變靈敏系數(shù)與 摻雜原子濃度的關(guān)系 由圖可知，電阻應變靈敏系數(shù)隨摻雜濃度的增加而略有下降。 Gt為橫向應變靈敏系數(shù)，其值隨摻雜濃度出現(xiàn)正負變化，故一般都不采用。 ? 與單晶硅壓阻膜相比，多晶硅壓阻膜可以在不同的材料襯底上制作 (如在介電體 ),而且可以更有效地抑制溫度漂移，有利于長期穩(wěn)定性的實現(xiàn)。硅晶體可以認為是藍寶石的延伸部分，二者構(gòu)成硅－藍寶石 SOS晶片。 ? 硅－藍寶石材料又脆又硬，其硬度僅次于金剛 石，制作工藝技術(shù)比較復雜。它由碳原子和硅原子組成，利用離子注入摻雜技術(shù)將碳原子注入單晶硅內(nèi)，便可以獲得優(yōu)質(zhì)的立方晶體結(jié)構(gòu)的 SiC。因此， SiC材料能在高溫下耐腐蝕、抗輻射，非常適合于高溫、惡劣環(huán)境下工作的微機電系統(tǒng)的選擇使用。 與單晶 SiC薄膜相比，多晶 SiC的適用性