第三讲 MEMS.pptVIP

第三章主要内容（2） 物理知识 原子结构、离子化、分子作用力、参杂、扩散、等离子体、量子物理 电化学知识 电解、电动 提纲 概述学习本章的意义 物理知识 电化学知识 概述本章的意义 物理,化学是认知的基础科学 设计原理和加工技术与物理、化学知识是密切相关 MEMS经常用到的粒子及其特性：原子、分子、离子、导电性（参杂：扩散与离子注入）、以及液体中的离子及其运动控制原理 物理知识 原子 离子 分子 参杂 扩散 注入（等离子体） 量子物理 原子结构 原子中的电子数决定在元素周期表的元素数表或原子序数 103种元素的周期表 在周期表中，每种元素包含特定数目的质子，没有任何两种元素的质子数是相同的。 包含同样外层电子数的元素具有相似的性能。 外层具有8个电子的元素是稳定的。 一种原子寻找其它原子结合形成满的外层电子层，即在外层具有8个电子。 离子 离子、副离子、正离子 离子化：（1）电解工艺；（2）电子束 电子束方法产生离子过程 从电子枪中被加热的阴极中产生电子束 电子被高压电场动能加速 电子束与介质分子碰撞，介质电离 离子化能：移走被电离介质最外层电子所需要的能量 从最外层轨道中移走第一个电子所需要的能量要远小于移走同一轨道其它电子所需要的能量。 气体最理想的离子化需要大约50到100电子伏特(eV)的输入能量（1eV=1.6022?10-19焦耳）。 分子 分子的组成 分子间的作用力 　 分子间力实际上是静电力，大小与分子间的距离d相关　 同性相斥，异性相吸。 两个分子之间的作用力的大小随距离的变化，如图所示 增加这两个分子的距离将促使吸引力的增加，因为必需克服分子间固有的内聚力。 当分开到距离很大的时候，一旦原子内聚力被完全克服了，这样导致吸引力的快速减小。 另一方面，如果缩短分子间的距离，使之小于自然状态，会产生斥力。 表3-1 含有带电原子的分子间力 导体、半导体和绝缘体 表3-3 典型的导体、半导体和绝缘体 掺杂 掺杂:在半导体材料中植入一定的外来物的方法,将其变成电导体的工艺称为掺杂. 掺杂的应用: 在集成电路中制造的微晶体管和微电路; 在MEMS和微系统中的自停止； 掺杂是微电子中制作p-n结的基本工艺。 像硼这样外围轨道上有三个电子的材料被掺杂到硅中，复合的材料就产生一个电子空缺，就产生了一个电子“空穴”。 N型参杂 带负电荷n型硅，掺杂剂采用5个外围轨道电子的砷或者磷，产生额外的电子 　 导电性增加的程度和材料中电阻的减少有关。掺杂浓度越高，电阻率越低，硅越容易导电。 扩散 扩散工艺是在一种材料的选定区域引入数量受控的异质材料的工艺 扩散的应用: 导电性改变 CVD中的薄膜生产过程 微流体器件的机理 扩散工艺的基本数学模型--菲克定律 菲克定律的数学形式表达(假设C1C2): 式（3.1b）可以用差分的形式表示成浓度Ca沿着x轴连续变化： 一维固-固扩散 一维固-固扩散相似的公式 在一定的基底中深度x和时间t下，图3.13中固-固扩散情况下，可以通过求解菲克定律中导出的下述形式的扩散方程： 例题３－１ 　磷通过扩散工艺被掺杂到硅基底中。基底在掺杂剂前在1000?C温度下加热30分钟。求出基底表面以下深度x=0.075微米处掺杂剂的浓度。 解： 由图3.11，我们可以得到在1000?C磷的固溶度为4.5?1020atoms/cm3（即这个温度下那种材料的最大浓度）。因此，有Cs=4.5?1020atoms/cm3。同样由图3.12，有(D)1/2=0.085?m/(h)1/2。 根据以上所述，有： 因此，扩散30分钟后深度x处磷的浓度可以由式（3.5）计算得到： 　　 　 通过查表3.4，我们可以估计在深度0.075微米处磷的浓度为： 等离子体 等离子体 定义:等离子体是携带电子电荷的气体。它包含近似相同数目的电子和正电荷离子。因此，作为一个整体，等离子体是一个中性的离子化气体的混合物 等离子体 在微加工中基本功能: 帮助淀积杂质材料到基底材料里面，例如硅基底 帮助所需要的穿透性杂质到基底材料里面，促进杂质材料的注入 通过从材料中敲出原子，除去一部分基底材料 在微加工中使用等离子体的一个优点是利用静电力或电磁场操纵它的流动相对容易。等离子帮助腐蚀和溅射以及等离子增强气相淀积是微加工中通用及有效的技术 等离子体的离子的产生过程 自由电子首先在电子枪中产生 这些电子在经过加速器以后高速运动 高速电子进入反应腔，从离子化的介质（例如氢气、氦气、或氟化硼等运载气体）中撞击出更多的电子 接下来的行为发生在等离子发生器里面， 如图3-14：（1）离子化；（2）分裂；（3）激发；（4）复合 离子