微納米技術(shù)-常用于微、納系統(tǒng)材料04--上課-PPT精品課件

1、常用于微、納系統(tǒng)中的基礎(chǔ)材料與工藝(二)田麗2019.03OutlinePolymer MEMS 熱塑性PMMA 熱固性PDMS其他常用-族化合物聚合物MEMS ( Polymer MEMS ）Apolymeris a chemical compound with large molecules made of many smaller molecules of the same kind. Some polymers exist naturally and others are produced in laboratories and factories.塑料、粘接劑、膠質(zhì)玻璃和有機(jī)玻璃等多

2、種材料機(jī)械強(qiáng)度低、熔點(diǎn)低和電導(dǎo)率差作為工業(yè)材料的聚合物重量輕，工藝簡(jiǎn)單，原材料和生產(chǎn)聚合物工藝的成本低，耐腐蝕性高，結(jié)構(gòu)的韌性高，形狀穩(wěn)定性高用于MEMS和微系統(tǒng)的聚合物光刻膠-聚合物被用于生產(chǎn)掩膜，通過(guò)光刻在襯底上產(chǎn)生所要圖形在LIGA工藝中被用于制作具有MEMS器件幾何形狀的初模，以制造微器件部件導(dǎo)電聚合物可用于MEMS和微系統(tǒng)的有機(jī)襯底鐵電聚合物，其性質(zhì)與壓電晶體類(lèi)似，可用于為器件中的執(zhí)行源Polymer MEMS DevicesPolymer materials have been used in MEMS in several capacities, including substr

3、ates, structural thin films, functional thin films, adhesion and packaging, coating,and surface chemical functionalization.Polymer is a large class of material that includes three major categories: fibers, plastics, and elastomers. Major motivations for incorporating polymers into MEMS Many polymer

4、materials provide greater mechanical yield strain than silicon (in single crystalline, polycrystalline, and amorphous forms)；Many polymer materials are of significantly lower cost to acquire. Further, the processing of certain polymers can be accomplished outside of the cleanroom confinement, loweri

5、ng the cost of fabrication；Polymer substrate can be obtained in non-wafer forms. In contrast, silicon substrates can only be obtained in wafer format. Polymer MEMS can have unlimited sizes；Electronics and optoelectronics are migrating strongly towards polymer, including displays, photo voltaic devic

6、es,memory,and transistorsThe silicon micromachining toolbox is relatively limited. Polymer MEMS increases the portfolio of microfabrication process drastically by allowing novel fabrication processes： casting and molding, low temperature chemical vapor deposition, embossing, spraying, screen printin

7、g, thick film processing, and stereo lithography.Polymers provide unique chemical, structural and biological functionalities not available in any other material systems. For example, functional hydrogels can change volume in response to environmental pH and temperature. Major motivations for incorpo

8、rating polymers into MEMS Table 1. Representative Polymer MEMS materials and applications聚對(duì)二甲苯 聚酰亞胺 丙烯酸樹(shù)脂 聚氨基甲酸乙酯 PlasticMEMS processing is very flexible with respect to structural thicknesses and process parameters Optical micrograph of a patch of polyimide multimodal tactile sensing skin推動(dòng)了柔性MEMS器

9、件的發(fā)展有機(jī)聚合物 1. 熱塑型聚合物： PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）； PC（聚碳酸酯） ； 聚酰胺； 聚苯乙烯等 2. 固化型聚合物： PDMS（聚二甲基硅氧烷）； 環(huán)氧樹(shù)脂； 聚氨酯等 3.溶劑揮發(fā)型聚合物： 丙烯酸； 橡膠； 氟塑料等其他 非硅基MEMS加工聚合物MEMS （Polymer MEMS ）熱塑性材料 聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA）PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）聚甲基丙烯酸甲酯 （Polymethylmethacrylate，PMMA，英文Acrylic），又稱(chēng)做壓克力或有機(jī)玻璃。 PMMA的重量輕，密度比玻璃低：PMMA的密度大約在1150-1190 kg/m3，是玻璃（2

10、400-2800 kg/m3）的一半。同樣大小的材料，其重量只有普通玻璃的一半，金屬鋁（屬于輕金屬）的43%。 PMMA材料特性PMMA的機(jī)械強(qiáng)度較高：有機(jī)玻璃的相對(duì)分子質(zhì)量大約為200萬(wàn)，是長(zhǎng)鏈的高分子化合物，而且形成分子的鏈很柔軟，因此，有機(jī)玻璃的強(qiáng)度比較高，抗拉伸和抗沖擊的能力比普通玻璃高718倍?？估瓘?qiáng)度為67千克力/mm2，耐壓強(qiáng)度為1214千克力/mm2，耐沖擊性比聚苯乙烯好；光學(xué)性能優(yōu)越：可見(jiàn)光透過(guò)率達(dá)到92%，比玻璃的透光度高； PMMA能透過(guò)73%紫外線（石英能完全透過(guò)紫外線，但價(jià)格高昂，普通玻璃只能透過(guò)0.6%的紫外線）；聚甲基丙烯酸甲酯能溶于自身單體、氯仿、乙酸、乙酸乙酯

11、、丙酮等有機(jī)溶劑。如何制作熱塑性基底的微、納器件？熱塑性材料微、納器件結(jié)構(gòu)成型技術(shù)（1）hot embossing 熱塑性材料微、納器件結(jié)構(gòu)成型技術(shù)（2）超精密銑削技術(shù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密工程研究所研制的微小型超精密數(shù)控三軸立式機(jī)床機(jī)床尺寸為300mm300mm290mm，主軸最大轉(zhuǎn)速為120000rpm，最大徑向跳動(dòng)為1m；工作臺(tái)行程：X75mm，Y75mm，Z75mm；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)重復(fù)定位精度小于0.5m/75mm，工作臺(tái)定位精度小于1m/75mm；速度范圍1m/s250mm/s；采用全閉環(huán)控制，分辨率0.1m。 熱塑性材料微、納器件結(jié)構(gòu)成型技術(shù)（3）我校超精密加工技術(shù)-機(jī)械加工法制作微納米結(jié)構(gòu)

12、 精密工程研究所董申教授課題組與美國(guó)南卡羅萊納大學(xué)李曉東教授課題組共同合作，在國(guó)際雜志Small上發(fā)表了一篇題為采用原子力顯微術(shù)自上而下納米機(jī)械加工三維納米結(jié)構(gòu)的文章。該雜志2019年SCI影響因子：6.525。 采用機(jī)床，利用車(chē)削、銑削等機(jī)械加工的方法很難加工納米尺度結(jié)構(gòu)，然而本研究將原子力顯微鏡這一個(gè)主要進(jìn)行納米檢測(cè)的設(shè)備，改造成一個(gè)可以采用納米機(jī)械去除方法進(jìn)行加工的裝置，實(shí)現(xiàn)了可控的、可重復(fù)的納米加工過(guò)程。該研究在世界上第一次采用原子力顯微鏡的微探針自上而下納米機(jī)械加工方法加工出了三維納米結(jié)構(gòu)，如人臉、正弦波、三角波等結(jié)構(gòu)。 3D打印技術(shù)三維立體打印屬于一種快速成型(Rapid prot

13、otyping)技術(shù)，是一種由CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))數(shù)據(jù)通過(guò)成型設(shè)備以材料累加的方式制成實(shí)物模型的技術(shù)。 三維打印機(jī)采用分層加工，疊加成型方式來(lái)“造型”，會(huì)將設(shè)計(jì)品分為若干薄層，每次用原材料生成一個(gè)薄層，再通過(guò)逐層疊加獲得3D實(shí)體。 熱塑性材料微、納器件結(jié)構(gòu)成型技術(shù)（4）3D打印機(jī)3D打印機(jī)，即快速成形技術(shù)的一種機(jī)器，它是一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印機(jī)有兩種類(lèi)型:堆疊法，燒結(jié)。 堆疊只能成型塑料、硅之類(lèi)的材質(zhì)，對(duì)固化反應(yīng)速度有要求 燒結(jié)可以利用激光的高溫對(duì)金屬粉末進(jìn)行處理加工出金屬材質(zhì)的東西出來(lái)，實(shí)體可通過(guò)打磨、鉆孔、

14、電鍍等方式進(jìn)一步加工。熱固性材料 聚二氧基硅氧烷 （PDMS）聚二甲基硅氧烷（PDMS）聚二甲基硅氧烷( PDMS， polydimethylsiloxane） 是一種高分子有機(jī)硅化合物，通常被稱(chēng)為有機(jī)硅。 單體 或 交聯(lián)反應(yīng)Cross-linking of Polydimethylsiloxane具有光學(xué)透明，且在一般情況下，被認(rèn)為是惰性，無(wú)毒，不易燃；同硅片之間具有良好的粘附性，因此常用于芯片封裝等領(lǐng)域。其運(yùn)用在生物微機(jī)電中的微流道系統(tǒng)、填縫劑、潤(rùn)滑劑、隱形眼鏡。PDMS材料性質(zhì)液態(tài)時(shí)的二甲基硅氧烷為一黏稠液體，稱(chēng)做硅油，是一種具有不同聚合度鏈狀結(jié)構(gòu)的有機(jī)硅氧烷混合物，其端基和側(cè)基全為烴基

15、（如甲基、乙基、苯基等）。一般的硅油為無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、不易揮發(fā)的液體。 固態(tài)的二甲基硅氧烷為一種硅膠，無(wú)毒、疏水性（hydrophobic），惰性物質(zhì)，且為非易燃性、透明彈性體。二甲基硅氧烷的制程簡(jiǎn)便且快速，材料成本遠(yuǎn)低于硅晶圓，且其透光性良好、生物相容性佳、易與多種材質(zhì)室溫接合、以及因?yàn)榈蜅钍夏Ａ浚╕oungs modulus）導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)高彈性（structural flexibility）等。 如何制作熱固性材料基底的微、納器件？PDMS Soft Lithography （軟光刻技術(shù)）由哈佛大學(xué)Wllitesides教授為主的多個(gè)研究集體發(fā)展的微接觸印刷、復(fù)制模塑、轉(zhuǎn)移微模型、毛細(xì)微模

16、塑、溶劑輔助微模塑、近場(chǎng)光刻蝕、軟成型、納米壓印等技術(shù)，都使用了彈性模板作為微圖案轉(zhuǎn)移中介，而被統(tǒng)稱(chēng)為“軟光刻” 技術(shù)。軟光刻一般是通過(guò)表面復(fù)制有細(xì)微結(jié)構(gòu)的彈性印章(或印模)來(lái)轉(zhuǎn)移圖形。與傳統(tǒng)光刻技術(shù)相比，它能夠?qū)崿F(xiàn)曲面刻蝕，制作三維結(jié)構(gòu)，方便地控制微接觸印刷表面的化學(xué)物理性質(zhì)，制作陶瓷、高分子、微顆粒等微制造材料的微圖形，并且可以在普通實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)大尺寸圖案制作。熱固性材料微、納器件結(jié)構(gòu)成型技術(shù)（1）langmuir-Blodgett film （LB膜技術(shù)）langmuir-Blodgett film LB膜(Langmuir Blodgett film)是一種超薄有機(jī)薄膜，LB膜技術(shù)

17、是一種精確控制薄膜厚度和分子結(jié)構(gòu)的制膜技術(shù)。這種技術(shù)是本世紀(jì)20-30年代由美國(guó)科學(xué)家I.Langmuir及其學(xué)生K.Blodgett建立的一種單分子膜沉積技術(shù)。LB膜成膜過(guò)程在水氣界面上將不溶解的分子加以緊密有序排列，形成單分子膜，然后再轉(zhuǎn)移到固體上的制膜技術(shù)。LB膜技術(shù)概念Langmuir-Blodhett(LB)技術(shù)是一種人為控制，將具有脂肪鏈?zhǔn)杷鶊F(tuán)的雙親分子溶于揮發(fā)性溶劑中，通過(guò)控制表面壓，溶質(zhì)分子便在氣/液界面形成二維排列有序的單分子膜，即Langmuir膜(L膜)。用膜天平將不溶物單分子膜轉(zhuǎn)移到固體基板上，組建成單分子或多分子膜，即Langmuir-Bledgett膜。LB膜表面

18、活性材料上涂揮發(fā)性溶劑，將各種化合物薄膜沉積到襯底上產(chǎn)生多層結(jié)構(gòu)LB薄膜是良好的鐵磁、熱和壓電性質(zhì)的候選材料鐵電聚合物薄膜光特性可控的涂層材料微傳感器Langmuir-Blodgett 膜 為了獲得高靈敏度和穩(wěn)定性的生物傳感器，應(yīng)能有效控制酶在電極表面的存在形式，維持高的有序程度。 LB膜可用于將酶和其它物質(zhì)修飾到電極表面。 LB膜技術(shù)是很好的模擬生物膜的技術(shù)。其他常用的半導(dǎo)體材料 -族化合物材料 砷化鎵 磷化鎵 銻化銦(InSb)-V族化合物半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和硅、鍺不同，大多數(shù)-V族化合物半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)是閃鋅礦型，這種晶體結(jié)構(gòu)與金剛石型很相似，也是由兩套面心立方格子沿體對(duì)角線移動(dòng)14長(zhǎng)度套

19、構(gòu)而成，不過(guò)金剛石這兩套格子的原子是相同的，而閃鋅礦型則一套是族原子，另一套是V族原子。因此閃鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)的原子排列是每個(gè)族原子周?chē)加兴膫€(gè)最靠近的V族原子包圍而形成正四面體，而每個(gè)V族原子周?chē)钟兴膫€(gè)族原子包圍而形成正四面體。-族化合物半導(dǎo)體如砷化鎵、磷化鎵、銻化銦(InSb)等也越來(lái)越受到人們的重視；砷化鎵具有硅、鍺所不具備的能在高溫度高頻下工作的優(yōu)良特性，它還有更大的禁帶寬度和電子遷移率，適合于制造微波體效應(yīng)器件、高效紅外發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器，因而砷化鎵是一種很有發(fā)展前途的半導(dǎo)體材料。化合物半導(dǎo)體材料砷化鎵Gallium arsenide砷化鎵是由金屬鎵與半金屬砷按原子比1:1化合

20、而成的金屬間化合物。它具有灰色的金屬光澤，其晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦型。砷化鎵在1926年就已經(jīng)被合成出來(lái)，1952年確認(rèn)它的半導(dǎo)體性質(zhì)。同鍺、硅比，其禁帶寬度和電子遷移率都比較大，用它制造的器件有較好的頻率特性和耐高溫特性。用來(lái)制造微波半導(dǎo)體器件和半導(dǎo)體激光器。GaAS的能帶結(jié)構(gòu) (1) GaAs的導(dǎo)帶極小值和價(jià)帶極大值都在k=0，而Ge、Si的價(jià)帶極大值雖在波矢k=0處，但它們的導(dǎo)帶極小值卻不在k=0，即它們的導(dǎo)帶極小值和價(jià)帶極大值所處的位置不同。 因?yàn)榘雽?dǎo)體發(fā)光時(shí)要求有電子躍遷；而一般的電子躍遷又要求動(dòng)量守恒，即電子必須在 k 空間 (動(dòng)量) 的同一位置跳躍，所以間接帶隙半導(dǎo)體一般不能用作發(fā)光材

21、料。GaAS的能帶結(jié)構(gòu) (2)在GaAs(100)方向上具有雙能谷能帶結(jié)構(gòu)，即除k=0處有極小值外，在(100)方向邊緣上存在著另一個(gè)比中心極小值僅高0.36eV的導(dǎo)帶極小值，稱(chēng)為X極小值,因此電子具有主、次兩個(gè)能谷。(3)GaAs在300K時(shí)的禁帶寬度Eg1.43eV。因?yàn)榫w管工作溫度上限與材料的Eg成正比的，所以用GaAs做晶體管，可以在450以下工作。硅為1.1eV， GaAs工作溫度可以比硅高。GaAS的能帶結(jié)構(gòu)GaAS特性砷化鎵具有電子遷移率高（是硅的5-6倍）禁帶寬度大（它為1.43eV， 硅為1.1eV），工作溫度可以比硅高為直接帶隙，光電特性好，可作發(fā)光與激光器件容易制成半絕

22、緣材料（電阻率107-109cm）本征載流子濃度低耐熱、抗輻射性能好對(duì)磁場(chǎng)敏感易拉制出單晶砷化鎵器件有分立器件和集成電路已獲應(yīng)用的砷化鎵器件有:微波二極管，耿氏二極管、變?nèi)荻O管等;微波晶體管:場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，高電子遷移率晶體管(HEMT) ，異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)等;集成電路:微波單片集成電路(MMIC )、超高速集成電路(VHSIC)等; 紅外發(fā)光二極管(IR LED); 可見(jiàn)光發(fā)光二極管(LED，作襯底用);激光二極管(LD);.光探測(cè)器;高效太陽(yáng)電池;霍爾元件等砷化鎵應(yīng)用領(lǐng)域 移動(dòng)電話砷化鎵器件與硅器件相比.具有使用的電壓低、功率效率高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，而且頻率愈高，兩種器

23、件在上述性能方面的差距愈大。所以現(xiàn)在移動(dòng)通信成了砷化鎵微波電路的最大用戶。光纖通信在此種通信中光的發(fā)射是要用砷化鎵或砷化鎵基的激光二極管或發(fā)光二極管，由于移動(dòng)通信和因特網(wǎng)的發(fā)展擴(kuò)大了對(duì)光纖通信的需求。汽車(chē)自動(dòng)化首先獲得應(yīng)用的是全球定位系統(tǒng)，這套系統(tǒng)主要靠砷化鎵的微波器件所支持的。另外已接近商品化的汽車(chē)防碰撞裝置是以砷化鎵微波器件所構(gòu)成的雷達(dá)為核心的。太空高效太陽(yáng)電池原來(lái)人造天體上所用的都是硅的太陽(yáng)能電池，最近發(fā)射和計(jì)劃發(fā)射的人造天體多使用砷化鎵太陽(yáng)能電池作能源。最引人注目的是美國(guó)發(fā)射的火星探路者，它使用了砷化鎵太陽(yáng)能電池來(lái)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)小車(chē)在火星上工作了30天。軍事應(yīng)用在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)和科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中，電子

24、信息技術(shù)顯示出巨大的威力，其中砷化鎵起了不可磨滅的作用。在相控陣?yán)走_(dá)、電子對(duì)抗、激光描準(zhǔn)、夜視、通信等方面，砷化鎵器件都起了關(guān)鍵的作用?，F(xiàn)在各發(fā)達(dá)國(guó)家都在研究供軍事用的砷化鎵材料與器件。高效太陽(yáng)電池GaN材料的特性GaN首先由Johnson等人合成，Ga和NH3為原料，在600900加熱合成?？缮砂咨?、灰色或棕色粉末(是含有O或未反應(yīng)的Ga所致)。GaN是極穩(wěn)定的化合物，又是堅(jiān)硬的高熔點(diǎn)材料，融點(diǎn)約1700。GaN具有高的電離度，在-族化合物中是最高的(0.5或0.43)。在大氣壓力下，GaN晶體一般呈六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。它在一個(gè)元胞中有4個(gè)原子，原子體積大約為GaAs的一半。因?yàn)槠溆捕雀撸质?/p>

25、一種良好的涂層保護(hù)材料。 人們關(guān)注的GaN的特性，旨在它在藍(lán)光和紫光發(fā)射器件上的應(yīng)用。GaNGaN具有寬的直接帶隙，強(qiáng)的原子鍵，高的熱導(dǎo)率等性質(zhì)和強(qiáng)的抗輻照能力，不僅是短波長(zhǎng)光電子材料，也是高溫半導(dǎo)體器件的換代材料。由于族N化物可組成帶隙從1.9eV(InN)、3.4eV(GaN)到6.2eV(AlN)的連續(xù)變化固溶體合金，因而可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)從紅外到紫外全可見(jiàn)光范圍的光發(fā)射。GaN也將隨材料生長(zhǎng)和器件工藝的發(fā)展而迅猛發(fā)展，成為新一代高溫度頻大功率器件材料。 GaN應(yīng)用前景 對(duì)于GaN材料，長(zhǎng)期以來(lái)由于襯底單晶沒(méi)有解決，異質(zhì)外延缺陷密度相當(dāng)高，但是目前器件水平已可實(shí)用化。1994年日本日亞化學(xué)所制成

26、1200mcd的LED，2019又制成2cd藍(lán)光(450nmLED)，綠光12cd(520nmLED證明這一材料研制工作取得相當(dāng)成功，進(jìn)入實(shí)用化階段。InGaN系合金的生成，InGaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)LED，InGaN單量子阱LED，InGaN多量子阱LD等相繼開(kāi)發(fā)成功。InGaNSQWLED6cd高亮度純綠色、2cd高亮度藍(lán)色LED已制作出來(lái)，今后，與AlInGaP、AlGaAs系紅色LED組合形成高亮度全色顯示就可實(shí)現(xiàn)。這樣三原色混成的白光光源也打開(kāi)新的應(yīng)用領(lǐng)域。高可靠、長(zhǎng)壽命LED為特征的時(shí)代就會(huì)到來(lái)。日光燈和電燈泡都將會(huì)被LED所替代。目前LED專(zhuān)利核心基本被德國(guó)歐司朗(Osram

27、)公司 、日本日亞化學(xué)所有GaP的能帶結(jié)構(gòu)GaP-間接躍遷型材料。間接躍遷型材料要實(shí)現(xiàn)躍遷必須與晶格作用，把部分動(dòng)量交給晶格或從晶格取得一部分動(dòng)量，也就是要與聲子作用，才能滿足動(dòng)量守恒的要求，因而非直接躍遷發(fā)生的幾率是很小的(約為直接躍遷的l1000)，它的發(fā)光效率要比直接躍遷型材料低。Ge、Si和-V族化合物中的BP、AlP、GaP、BAs、AlAs、AlSb等都屬于間接躍遷型半導(dǎo)體材料。發(fā)光的顏色是由能隙決定的，通過(guò)控制GaP中的摻雜劑可以使GaP發(fā)出不同的光。目前在GaP中能形成電子陷阱束縛激子的雜質(zhì)有N(綠光)，Bi(橙光)，ZnO (紅光)，CdO(紅光)等。目前已用GaP制出了很好

28、的發(fā)紅、綠、黃等光的發(fā)光二極管，而且發(fā)光效率很高，這是因?yàn)槟承╇s質(zhì)在GaP，中可形成發(fā)光的輻射復(fù)合中心，使GaP中的間接躍遷向直接躍遷轉(zhuǎn)化的緣故。超高亮度LED主要使用GaAs，GaN，ZnSe和SiC等材料GaP的應(yīng)用磷化銦磷化銦(InP)是重要的-族化合物半導(dǎo)體材料之一，是繼Si、GaAs之后的新一代電子功能材料。InP在熔點(diǎn)溫度13357K時(shí)，磷的離解壓為27.5atm，因此InP多晶的合成相對(duì)比較困難，單晶生長(zhǎng)也困難得多，整個(gè)過(guò)程始終要在高溫高壓下進(jìn)行，所以InP單晶就難獲得，而且在高溫高壓下生長(zhǎng)單晶，其所受到的熱應(yīng)力也大，所以晶片加工就很難，再加上InP的堆垛層錯(cuò)能較低，容易產(chǎn)生孿晶，致使高質(zhì)量的InP單晶的制備更加困難。所以目前相同面積的