SiC材料在微机电系统（MEMS）中的应用（绝对原创）

SiC材料在微机电系统（MEMS）中的应用（绝对原创）

21年前

微电子机械系统是微电子领域与其他学科如机械、生物、医学等的交叉学科，作为近年来国际研究的热点之一，在很多领域显示出重要的应用价值。由于其涉及领域广泛，而呈现出种类繁多的MEMS器件。然而随着研究的深入和应用范围的拓展，需要一些在特殊场合或条件下使用的MEMS器件。对此研究者一般从两个角度出发解决这个问题，一是在设计时通过调整被设计器件的结构，使其较大程度地适应多种环境参数。作为目前最常使用的硅材料，虽然工艺成熟、价格低廉且适合于大批量生产，但是硅基MEMS器件的极限指标往往受限于硅材料本身，在这种情况下，研究者往往希望能用另外的材料替代硅，这就是第二个解决方法，寻找硅的替代品。对在高温应用的MEMS器件，材料的禁带宽度越宽，在高温场合得到应用的潜力就越大，越适合做成高温MEMS器件。又如在一些化学环境下的应用，需要器件具有良好的耐腐蚀性，常规的解决方法是在硅基MEMS器件上蒸发或溅射上一层抗腐蚀膜。这在一定程度上可以满足抗腐蚀的要求，但随之会带来其他的问题，如增加了工艺的难度、降低了器件的可靠性和寿命。最理想的方法就是选用本身具有抗腐蚀性的材料，既能解决抗腐蚀的问题，又不会带来其他的负面影响。与硅材料相比，在机械强度、热学性能、抗腐蚀性、耐磨性等方面具有明显优势的材料就是碳化硅材料。它可稳定工作于高温、高频、强辐射、强压力和化学腐蚀条件下，目前已吸引了MEMS领域内研究者的注意。随着碳化硅材料和工艺的日趋成熟，使得SiC不论作为结构材料还是涂层都具有极大的应用潜力，可被应用于一些特殊场合，如目前用碳化硅材料制作的航空航天方面的MEMS器件，热引擎的燃烧喷嘴，微观飞行器的助推器或是微机械制造的燃气涡轮，皆显示出良好的性能，发挥出了材料本身的特性。随着SiC材料制备和工艺技术的成熟，已经展开了一些关于碳化硅MEMS器件的设计、制作等研究工作。目前用于制作MEMS器件的碳化硅材料主要分为三类，单晶碳化硅、多晶碳化硅和无定形碳化硅。就三种材料分别介绍了它们在MEMS领域中的应用，例举了应用材料不同方面特性的SiC MEMS器件与微结构，及SiC器件的最新进展。
器件与微结构
单晶SiC MEMS器件
随着集成度的提高，器件的小型化成为电子学领域的一个重要课题，目前MEMS器件的尺寸在十几微米到几百微米之间。对于如此小型的器件，表面特性、摩擦性能和磨损性能就十分重要了。众所周知，硅器件难以在高于250摄氏度的温度下运行，因此在高温场合直接使用硅器件是不现实的。要克服这个难题，一是在硅器件上淀积一层保护涂层，二是直接选择其他材料，不论是哪种方法都要求这种材料能在高温下稳定工作。而具有闪锌矿结构的3C-SiC（立方SiC或贝它-SiC）因其高熔点、高热导率、高临界击穿电场等优秀的物理和电学性质，成为高温器件的首选材料。Sundararajan等人的研究说明了3C-SiC薄膜拥有理想的微米/纳米机械及摩擦特性。3C-SiC薄膜具有的高硬度和高弹性模数及抗刮擦性和低摩擦系数，加之低成本生产技术实现的可能性，为高温SiC MEMS器件的应用开辟了更广阔的前景。用3C-SiC薄膜做涂层，能明显改善器件耐高温高压和耐腐蚀的特性，如Rajan等人的实验所示，基于硅材料制造的微机械燃烧喷雾器，选择5种与MEMS工艺兼容的薄型薄膜作为涂层进行比较，分别是单晶3C-SiC，多晶碳化硅，氮化硅，二氧化硅和金刚石薄型薄膜。经高温腐蚀性测试，定量评价这5种涂层，结果证明3C-SiC涂层的耐磨性最强，扫描电子显微镜（SEM）显示表面形态无明显变化。虽然多晶碳化硅和3C-SiC涂层都能十分显著地改善器件的抗腐蚀性，但可能是多晶碳化硅薄型薄膜的剩余应力更大的原因，使多晶碳化硅涂层的喷雾器与3C-SiC涂层的喷雾器相比出现断裂增加的现象。
为克服使用表面涂层带来的机械应力对整个器件性能的影响，可以直接使用碳化硅体材料制作MEMS器件。随着一些新的工艺技术的出现，已经可以直接制造SiC MEMS器件，例如使用“微观反应熔结碳化硅”技术制造微机械燃气涡轮的微转子。在燃气涡轮的涡轮入口处，温度高达1300oC,考虑到材料的耐热性，选择用碳化硅。微转子上面是一个压缩器，下边是涡轮，在制造过程中使用光刻和深反应离子刻蚀（RIE）技术制造一对硅模，分别是压缩器和涡轮的模子。填模材料是粉末状的 -SiC、石墨、酚树酯（键合剂）和少量丙异醇的混合物。经冷均衡冲压将材料粉末压入硅模，再经表面抛光后键合，通过热均衡冲压反应熔结，Si与石墨反应生成贝它-SiC（3C-SiC），最后在HF和HNO3的混合溶液中将硅模腐蚀掉，得到SiC微转子。制成的微转子，直径为5mm，厚度800 微米，硅模的形状很好地转移到了反应熔结的SiC结构上，尺寸缩小到3%.以内。一些机械性能如密度、弯曲强度、维氏硬度、断裂面粗糙度经测定都较为令人满意。这种“微观反应熔结碳化硅”技术不仅能精确地控制器件的尺寸，还便于实现复杂的碳化硅多层结构。
近来，随着外延和CVD技术的发展，产生了许多SiCMEMS应用。例如用生长在Si上的贝它-SiC薄膜经体微机械加工，应用于压力感应器和气体测向。单晶3C-SiC外延层用于实现设计工作温度400摄氏度的压力感应器。在Si上生长的APCVD3C-SiC经各向异性腐蚀形成的薄膜用于制成高温压力感应器，可测试 0到10万Pa的压力变化。也有报道SiC衬底上外延生长SiC用作BMMSiC压力传感器。
多晶SiCMEMS器件
与单晶SiC材料的生长淀积工艺相比较，制备多晶SiC的工艺技术较为成熟。近年来所报道的一系列多晶SiC器件，也充分说明了在高温高压等极端条件和领域使用的多晶SiC材料与器件的飞速发展。例如在750摄氏度利用等离子增强CVD法淀积的多晶SiC被用于制造流量和温度感应器，以及对多晶SiC进行表面机械加工后所制造的一些器件，如在900摄氏度以上工作的伴有共振的侧向共振结构和工作在500摄氏度以上的微电机等。
在制作MEMS器件时，为了得到三维结构经常采用牺牲层工艺，在多晶硅或氧化物被用作牺牲层的情况下，淀积或生长出多晶SiC层，可作为机械层或结构层。例如，在选择实现一个微电机结构时，多晶硅做转子，用更加耐磨的多晶SiC做定子，氮化物做衬底保护层与作为牺牲层的氧化物分开。Rajan等人用多晶SiC制作的喷雾器，设计工作温度为1700摄氏度,与类似的用LIGA工艺制造的Ni喷雾器相比，表现出更好的耐高温特性，并且可稳定工作于2500kPa的压强下，同时显示出更高的抗腐蚀性。类似的硅器件则限于工作在1400kPa以下，且不耐腐蚀。性能测试还证明了SiC器件与Si器件有相似的流量特性，在660kPa时，SiC器件的平均流率（flow rate）是9PPH，而Si器件为10PPH。进一步证实了这种工艺制造的多晶SiC喷雾器性能更佳。
无定形SiCMEMS器件
由于技术和工艺的局限，使用无定形SiC作结构层或是涂层的微观结构实现的较少。随着淀积技术的不断发展与突破，已经证实使用低温淀积技术可淀积无定形SiC。尽管是低温淀积，但仍能保留材料的许多重要特性，如抗腐蚀性和耐热性。最早报道的无定形SiC的独立器件是200nm厚的SiC薄膜用作薄型薄膜辐射热测定器。在低温淀积SiC时，机械应力需要特别关注。Ledermann等人报道的应用于MEMS的作为保护涂层的无定形SiC薄膜，对其溅射过程中的应力控制进行了说明。
近来，PECVDSiC薄膜成功地用于一些MEMS的应用，如在HF溶液中使用的微电极探针，或是体微机械制造的压力传感器的正面钝化层，还可用作微观射流沟道的涂层。据报道，已经实现了SiC和SiC/SiN薄膜，其上有多晶Si-Al热电偶，这种微机械加工的薄膜结构被用于测定给定SiC薄膜的热传导率。
一些测试的初步结果表明PECVDSiC薄型薄膜更能适应应力的变化并显示出与其他常规钝化层相比更好的效果。例如使用HF溶液在玻璃上刻蚀深沟道时，低温淀积的SiC层非常适合做掩蔽层。SiC在HF中的抗腐蚀性允许多孔硅作为牺牲层，而且它的热特性使得它成为热器件的一种重要的薄膜材料。测定的无定形SiC薄膜的热传导率值虽然低于报道的体单晶材料值，却仍然是多晶硅薄膜的5倍以上。Flannery等人报道了应用于MEMS的等离子增强CVD淀积无定形SiC的有关工作，他们的工作集中在淀积层的化学惰性和机械特性上，这些淀积层主要被用于制造各种MEMS应用的保护涂层。
SiC的化学惰性在生物化学领域也得到了应用，在生物化学分析系统中，它被用做绝缘材料，阻止沟道中的有机分子粘连导致最终阻塞器件。这种特性以及近来证实的将PECVDSiC膜用于玻璃与玻璃键合涂层的可能性，可以制成一种含有集成的液体传导探测器的全玻璃封闭沟道。
科学技术的发展使得许多领域中传统的硅器件显示出其局限性，而对能在高温高压等极端条件下使用的器件的需求推动了SiC技术的发展，使得具有优良特性的SiC成为MEMS应用的理想材料。随着SiC器件工艺技术的不断进步与日趋成熟，更产生了许多性能优异的SiCMEMS器件和微结构。尽管在SiC器件的实用化技术方面还存在许多亟待解决的问题，但SiCMEMS器件在高温高压等极端条件下的应用，无疑已显示出了巨大的发展前景.

相逢一炮泯恩仇