微系统的重要材料—硅衬底的补充说明资料

单晶硅衬底的用途
咱就说在电子行业吧，单晶硅衬底就像一个超级舞台。

那些小小的电子元件就像是舞台上的演员。

像晶体管之类的，就站在单晶硅衬底这个舞台上开始表演，让各种电子设备能正常运行呢。

你想啊，手机、电脑这些咱们日常离不开的东西，要是没有单晶硅衬底，那它们就像没了根基一样，根本没法工作。

就好比盖房子没有地基，那房子肯定塌呀。

在光伏领域呢，单晶硅衬底简直就是阳光的捕捉小能手。

它能把太阳光转化成电能，这多神奇呀。

现在大家都提倡清洁能源，单晶硅衬底就在这当中起着超级重要的作用。

它就像一个勤劳的小蜜蜂，不停地把阳光收集起来，变成能让我们使用的电。

有了它，太阳能电池板才能这么高效地工作，给我们的生活带来源源不断的绿色能源。

这可不仅是环保的事儿，还能让我们的电费省不少呢，对普通老百姓来说，那就是实实在在的好处。

再说说在半导体行业里，单晶硅衬底就是那种默默奉献的大功臣。

半导体的那些神奇功能，什么导电又能控制电流之类的，单晶硅衬底可是在背后给了大力的支持。

它就像一个特别靠谱的伙伴，陪着半导体元件一路发展。

没有它，那些复杂又高端的半导体技术就只能是纸上谈兵啦。

还有啊，在一些科研的小天地里，单晶硅衬底也是不可或缺的。

科学家们在它身上做各种各样的实验，就像在一块神奇的画布上画画一样。

他们想探索一些新的物理现象或者研发新的材料，单晶硅衬底就是他们的好帮手。

概括来说呢，单晶硅衬底虽然看起来就是一块小小的材料，但它的用途就像天上的星星一样多，在各个领域都闪闪发光，给我们
的生活带来了巨大的改变，是一个非常了不起的小宝贝呢。

mems基底材料Mems（Micro-Electro-Mechanical Systems）是一种集成微型机械、电子和光电效应于一体的微型器件或系统。

它在许多领域都有广泛的应用，例如无线通信、医药、工业控制、环境监测等。

而mems的基底材料起着至关重要的作用，它直接影响到mems的性能和可靠性。

mems的基底材料有很多种类，包括硅（Silicon）、石英（Quartz）、玻璃（Glass）、高分子材料（Polymer）等。

下面我们将重点介绍这些常用的mems基底材料及其特点。

首先是硅（Silicon）材料，硅是最重要的mems基底材料之一。

它具有优良的力学性能、良好的热导性、高温稳定性和良好的加工性能。

硅基底上的mems 器件具有极高的精度和稳定性，因此广泛建立在硅晶片上。

硅材料本身体积很小，可以制作出微型机械结构，同时还可以结合其他材料制作出复合mems器件。

然而，硅材料的一个缺点是它易受到机械应力和热膨胀的影响，容易出现疲劳和断裂现象。

其次是石英（Quartz）材料，石英是一种具有优异性能的透明晶体材料。

石英基底的mems器件具有优异的化学稳定性、高温稳定性和优良的机械性能。

石英材料还具有良好的光学性能，广泛应用于光学领域。

然而，石英材料的加工难度较大，其横向尺寸的加工精度相对较低，限制了器件的制备工艺。

第三是玻璃（Glass）材料，玻璃基底是mems器件研究的另一种主流选择。

玻璃材料具有优良的化学稳定性、机械强度和光学透明性。

玻璃基底还可以采用常规的光学加工技术进行加工和制备，制备工艺相对容易。

此外，玻璃材料还可以通过控制微纳米结构来调控mems器件的表面性质，使其具有更多的应用潜力。

但是，由于玻璃的脆性，其在高应力条件下容易发生断裂。

最后是高分子材料（Polymer），高分子材料是mems器件研究的新兴领域。

高分子材料具有较低的密度、较高的可塑性和可加工性，能够制备出复杂形状的mems器件。

选用硅材料作为mems制造的主要材料有那些优势?MEMS综述MEMS综述一、EMES基本概念微机电系统一词源于美国，日本称为微机械，欧洲称为微系统是指利用微电子精细加工手段制造微米量级内的设计和制造技术。

它是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。

二、发展历史MEMS这一名词是由美国国家科学基金会于1989年正式提出的，从技术上看，它的产生和发展经历了以下3个主要时期:1、发展初期20世纪50年代，MEMS随着集成电路制造技术的发展而出现。

20世纪60年代的主要研究内容是硅微型传感器和各向异性蚀刻技术。

但是，这个时期的器件由于不够完善而没有商品化。

2、快速发展期20世纪70年代，汽车用传感器和医用压力传感器开始成为MEMS的研究重点，并促进了相应微加工技术的完善。

20世纪80年代，世界各国相继开始MEMS领域的研究，制造技术不断完善，应用领域快速拓展。

80年代后期，包括微加工、结构设计、微动力学、材料学、控制理论、测量等多个领域在内的MEMS研究全面展开。

3、高速发展期20世纪90年代MEMS在国防生物医学、汽车、通信、航空航天等领域的应用全面开始，并有大量MEMS产品推向市场。

21世纪，MEMS逐步从实验室走向实用化。

MEMS的研究领域将进一步扩展，逐渐形成纳米器件、生物医学、光学、能源、海量存储、信息等新的应用方向，并从单一的MEMS器件和功能向着系统功能集成的方向发展。

三、研究内容1、理论研究主要研究微尺寸效应、微磨擦、微结构的机械效应。

微机械、微传感器、微执行器等的设计原理和控制方法。

2、工艺研究主要研究微材料性能、微加工工艺技术、微器件的集成和装配以及微丈量技术等。

世界上制作MEMS器件的工艺技术主要有三种：第一种是以美国为代表的利用化学离蚀或IC工艺，对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件。

目前，国内主要利用这种方法制备MEMS器件，该方法与IC工艺兼容，可实现微机械和微电子的系统集成，适合批量生产，成为制备MEMS器件的主要技术；第二种是以德国为代表的LIGA技术，它利用X射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑工艺形成深层微结构方法，制作MEMS器件。

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。

中科院上海微系统所硅基材料中科院上海微系统所硅基材料介绍上海微系统所（Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology，简称“SIMIT”），隶属于中国科学院，是一个集器件、芯片、模块及系统研究、设计和制造于一体的综合性研究机构。

作为微电子学领域的中心和“国家级智能制造示范区”核心院所，SIMIT在国际上具有较好的学术声誉和技术影响力。

硅基材料是SIMIT的一个重要研究方向之一，其主要应用于微电子元器件制造，在半导体工艺、微机械系统制造、光电器件制造、生物医学拓扑、能源等领域中发挥着重要的作用。

通过对硅基材料的研究，SIMIT不仅推动了中国微电子学的发展，同时也为世界微电子学技术的进步做出了重要贡献。

硅基材料的优势硅基材料在微电子学领域中得到广泛应用，其主要优势在于：1.物理性能稳定：硅基材料具有优越的物理性能，包括高热导率、低温膨胀系数、导电性能等。

这些优良的物理性能使得硅基材料在微电子领域中更加可靠和稳定。

2.良好的加工性能：硅基材料在制造过程中具有良好的加工性能，可以通过激光刻蚀、离子注入等加工操作失去复杂的微结构。

3.低成本：硅基材料的成本相对较低，同时又具有良好的物理性能和加工性能，这使得硅基材料在工业生产中得到了广泛应用。

SIMIT硅基材料的研究方向SIMIT在硅基材料研究中，主要关注以下方向：1.新型硅基材料的研究：SIMIT研究人员通过分子束外延、化学气相沉积等工艺制备出了一系列新型硅基材料，如二氧化硅、氮化硅、硅碳等，这些新型硅基材料在微电子制造中发挥着极大的作用。

2.硅基微机械系统研究：SIMIT研究人员通过对硅基材料的研究，在微机械系统制造领域取得了一系列创新性进展。

如通过硅基微加工技术制造出体积约为1立方毫米的微型机械结构，这一发明填补了国内外研究的空白。

3.硅基光电器件研究：SIMIT研究人员通过硅基材料的研究，成功地制备出了硅基光电器件，比如硅基PIN光电二极管等，这些器件在通信和光电器件制造中发挥着重要的作用。

集成电路制造技术（原理与工艺）--硅衬底之一现在集成电路使用的最基本的本征材料有：硅（Si)，锗（Ge），砷化镓（GaAs)，室温下硅的晶格电子迁移率为1350，较锗3900，砷化镓8600要小得多，说到晶格下面会有介绍，而电子迁移率表征着器件的运行速度，所以硅一般会用在频率相对较低的集成电路生产中，而高频器件，高速，微波微电子产品的衬底材料领域由砷化镓占领。

硅作为地球最普遍的材料，所以让我们先来了解生产一颗常用的硅基IC需要的工艺流程，产品的生产过程示意图如下：如图所示，从单晶硅锭切割加工成硅片，然后从硅片通过20～30的工艺步骤制成集成电路芯片，然后调试好后，就划分为小单元的芯片，然后进行封装，测试后，就可以出品做生意了。

看到这里我们应该多问几个How，Why，When了。

单晶硅是怎样制成的（How)？切割加工的芯片的厚度（为什么是这个厚度，Why)？20～30个工艺步骤（为什么需要这些工序Why,在什么时候做When)?且听下面分解。

对于以上的几个问题，让我们先了解下原始硅片变成集成芯片的步骤，就拿硅基双极型NPN晶体管芯片（即普通的NPN型三极管）为例，制造的主要工艺流程如下所示步骤（1）--外延工艺，是在重掺杂的单晶硅片上通过物理（或化学)的方法生长轻掺杂的单晶硅层，晶体管的两个PN结就是做在这层轻掺杂的外延层上。

步骤（2）--氧化工艺，是在硅片表面用氧化方法或物理(或化学）薄膜积淀的方法得到一层二氧化硅薄膜，作为后续定域掺杂的掩蔽膜。

步骤（3）--一次光刻工艺，是在二氧化硅掩膜上光刻出基区窗口图形来，以进行下一步的基区掺杂。

步骤（4）--硼掺杂工艺，是用热扩散或离子注入等方法在N型硅上掺入P型杂质硼，目的是获得晶体管的集电极。

步骤（5）--二次光刻工艺，是晶体管制作的第二次光刻，和步骤3一样，目的是在二氧化硅掩膜上光刻出发射区窗口图形来，以进行下一步的发射区掺杂。

二次光刻是在一次光刻基础上进行的，必须与一次光刻图形对准。