3.2　硅材料

微机电系统的加工技术源于微电子集成制造，所以在微机电系统材料中，硅是最常用的材料。硅属硬脆材料，同时也有一定的弹性。

硅材料常分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。在集成电路中，常用单晶硅制作集成电路的衬底，而多晶硅则用于制作晶体管的栅电极。

单晶硅是指整个晶体内原子都是周期性规则排列的。由于晶体是由无数晶格规则排列而成，因此可以作出许多互相平行的晶面，组成了晶面族。习惯上用晶面密勒指数（h，k，l）来标记晶面。即选取晶格中的顶角作为原点，以立方晶体的边为坐标轴，假设一个平面，在x、y和z轴上的截距分别为p、q、r，取其倒数之比为

将h，k，l化为互质整数，称为密勒指数。当晶面与坐标轴平行测截距在无限远处，其为零。

图3-1为硅晶体的三个主要晶面（100）、（010）、（001），它们虽然处在不同的方向上，但原子的排列相同，用{}表示上这同类性质的晶面。同样还可在一个晶格中得出方向不同而原子排列相同的六个{110}、四个{111}。（111）面与（100）面成54.75°的倾斜角。（110）面与（100）面之间的夹角为45°。垂直于晶面的法线方向叫晶向，用［］表示，（100）、（110）、（111）晶面的方向分别为［100］、［110］、［111］，如图3-2所示。用＜＞表示同类性质的晶向，如＜100＞、＜110＞、＜111＞等，其中，＜111＞包括 ［110］、［-110］、［1-10］、［011］、［01-1］，其他依此类推。硅单晶在晶面上的原子密度是以（111）＞（110）＞（100） 的次序递减，导致了晶体的各向异性，如扩散速度、腐蚀速度均以（111）＜（110）＜（100）方向递增。

单晶硅具有优良的力学性能，其机械品质因数可高达106数量级，滞后和蠕变极小。纯净的单晶硅外观呈浅灰色，略有金属性质。单晶硅的杨氏模量、剪切模量是晶向的函数。在（100）面上，［110］方向的杨氏模量最大，可达168GPa；［100］方向的杨氏模量则最小，低至130GPa。单晶硅泊松比从0.033～0.36，比较分散且与方向和测量方法有关。

单晶体具有良好的各向异性腐蚀特性以及与掩膜材料的兼容性，是最通用的体微机械加工材料。表面微机械加工中，无论器件结构本身是否是硅材料，常采用单晶硅作衬底。在硅基集成的结构中，单晶硅是首选载体材料。

单晶硅是人工制成品，制成方式有高温熔融再结晶生长、外延生长硅薄膜和多晶硅或非晶硅加热后再结晶。高温熔融再结晶生长法是获得硅圆片的常规方法。将单晶硅籽晶垂直放入装有高纯度硅熔融材料的容器中，并缓慢地将其拉出溶液。被拉出的籽晶在空气中会沿原来的籽晶的晶向生长结晶。用这种方法可以得到不同直径和长度的棒状单晶硅锭，将硅锭切割成圆柱状薄片并抛光则成为硅圆片。

与单晶硅不同，多晶硅是指晶体内各个局部区域内原子是周期性规则排列的，但不同区域之间原子的排列方向并不相同。因此，多晶体可以看做是由许多取向不同的小单晶体组成。多晶硅的杨氏模量范围从120～175GPa，与制备工艺密切相关，平均值为160GPa。泊松比从0.15～0.36，大部分文献的引用值为0.22。多晶硅常作为表面微机电系统的结构材料，基于多晶硅的表面微机械的薄膜淀积和刻蚀技术已成熟。采用IC工艺，也可以在薄膜淀积的同时或之后进行掺杂。

非晶硅包括多种硅化合材料如SiO2、Si3N4等。

SiO2通过热生长或工艺淀积在硅衬底上，常用的工艺为热汽化和低温氧化硅工艺（Low Pressure Chemical Vapor Deposition， LPCVD）。在多晶硅加工技术中，SiO2常作为牺牲层材料。由于SiO2与多晶硅的干法刻蚀剂不发生化学反应，故也可用作干法刻蚀多晶硅膜的刻蚀掩膜。

SiO2家族中的SOG（旋涂式玻璃）可以旋涂在衬底经升温硬化成固态薄膜。SOG可以作为厚膜牺牲材料，也可以用来制备在结构件中具有较大间隙的微结构。

SiO2家族中的石英具有压电特性，其晶状结构使其可以与单晶硅一样用于制作大面积高质量的衬底。石英可以采用热HF法和氟化铵的蚀刻剂进行各向异性蚀刻。

Si3N4是微机电系统中应用广泛的绝缘、表面纯化、刻蚀掩膜和机械结构材料。可采用低温氧化硅工艺（LPCVD）和等离子体增强化学气相淀积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Depositon， PEVCD）制备。

硅具有良好的机电综合特性，既有足够的机械强度，又有优良的电性能，便于实现机电器件的集成化。硅材料具有高强度密度比和高刚度密度比，硅密度为不锈钢的1/3，而弯曲强度却为不锈钢的3.5倍。硅具有多种优异传感特性，如压阻效应、霍尔效应等。

大部分微机械传感器都是用硅制作的另一个重要理由是应用硅微机械加工技术可以制作出尺寸从亚微米到纳米级的微元件和微结构，并且可达到极高的加工精度。

进行硅结构设计时有以下六个要点。

①尽量减小硅单晶的表面、边缘和体内的缺陷以减少应力集中的可能。

②尽量减小经受较大磨损、摩擦或承受较大应力的构件的尺寸，以减少构件中晶体缺陷总量。

③加工大硅片要尽量减少常规机械加工方法，以免造成边缘和表面缺陷。或者在操作后，用腐蚀法清除边缘和表面上受损伤较严重的部分。分离晶片尽量采用腐蚀法。

④同向异性腐蚀法形成的构件容易产生锐缘和尖角，从而导致应力集中。可采用各向同性腐蚀法或其他方法将锐缘和尖角打圆。

⑤硅片热加工时尽量避免采用高温。因为高温下硅片内部容易产生高应力，从而增加构件断裂的可能性。

⑥若在受力、磨损或严重腐蚀的环境下使用，硅片表面可以淀积、生长一层SiC或 Si3N4钝化膜以保护表面。