第三章 MEMS常用材料与特性
做MEMS传感器设计，说白了就是跟材料打交道。我经常跟新同事说，你选对了材料，项目就成功了一半。这一章咱们聊聊MEMS工艺里最常用的几种材料，我把它们的特点、坑点都捋一遍。
3.1 硅材料特性
硅是MEMS的基石，这个不用我多说。单晶硅的机械性能非常优秀——它的杨氏模量大约170GPa，屈服强度能达到7GPa，比不锈钢还强。你想想看，这么小的东西，强度却这么高。
我个人习惯把硅看作一种「聪明」的材料。为什么这么说？因为它既有良好的机械性能，又能通过掺杂改变电学特性。我在做加速度计项目时，就利用硅的压阻效应来检测形变，效果很稳定。
关键参数：
- 密度：2.33 g/cm³
- 热导率：150 W/(m·K)（室温）
- 热膨胀系数：2.6×10⁻⁶ /K
- 断裂韧性：0.9 MPa·m¹/²
嗯，这里要注意：硅是各向异性的。不同晶面的刻蚀速率差别很大，比如(100)面和(111)面在KOH溶液里的刻蚀速率能差上百倍。我曾经有个同事没注意这个，设计的悬臂梁角度全偏了，流片回来直接报废。
3.2 二氧化硅
二氧化硅在MEMS里主要做绝缘层和牺牲层。热氧化生长的SiO₂质量最好，致密、均匀，击穿电压能到10⁷ V/cm以上。
我记得做压力传感器时，需要在硅杯底部生长一层SiO₂作为绝缘层。当时选了湿氧氧化，生长速度快，但针孔密度比干氧高。后来我改用干氧+湿氧交替生长，既保证了速度又控制了质量。
实用技巧：
做牺牲层释放时，BOE（缓冲氢氟酸）的腐蚀时间要精确控制。我一般先用试片测腐蚀速率，再按1.2倍时间做正式片，留点余量。
3.3 氮化硅
氮化硅比二氧化硅硬得多，化学稳定性也更好。LPCVD生长的Si₃N₄应力很大，通常是拉伸应力，能到1GPa以上。这个应力值很关键——做薄膜结构时，应力太大会导致膜破裂。
我建议做双面光刻时，用氮化硅做掩膜层。它对KOH的耐腐蚀性极好，刻蚀选择比能到1000:1。不过要注意，PECVD生长的氮化硅含氢量高，应力可控，但致密性差一些。
避坑指南：
我曾经遇到过氮化硅薄膜在高温退火后开裂的问题。后来发现是沉积温度太低，薄膜内应力没释放。现在我做氮化硅工艺，都会在沉积后加一道600℃的退火步骤。
3.4 金属材料（铝、金）
金属在MEMS里主要做电极和互连。铝用得最多，因为它跟CMOS工艺兼容。但铝有个毛病——电迁移。电流密度超过10⁵ A/cm²时，铝原子会沿着电子流方向迁移，时间长了就断线。
金的导电性好，抗氧化，但跟硅的粘附性差。我一般先在硅上溅射一层钛或铬做粘附层，再镀金。厚度控制上，做电极的话500nm就够了，做键合pad需要1μm以上。
| 材料 | 电阻率(μΩ·cm) | 热导率(W/(m·K)) | 主要用途 |
|---|---|---|---|
| 铝 | 2.7 | 237 | 电极、互连线 |
| 金 | 2.2 | 318 | 键合pad、反射镜 |
| 钛 | 42 | 22 | 粘附层 |
3.5 压电材料（PZT、AlN）
压电材料能把机械能转成电能，反过来也行。PZT的压电系数高，d₃₃能到500 pC/N以上，但含铅，CMOS工艺不兼容。AlN虽然压电系数低一些（d₃₃约5 pC/N），但无铅、工艺兼容性好。
我做压电MEMS麦克风时，对比过这两种材料。PZT的灵敏度高，但漏电流大，低频噪声不好控制。AlN的噪声低，适合做高信噪比的器件。最后选了AlN，因为客户要求低功耗。
选型建议：
- 需要高灵敏度、不介意工艺复杂度 → 选PZT
- 需要低噪声、CMOS兼容 → 选AlN
- 需要高温稳定性 → 选AlN（居里温度高）
沉积AlN时，靶材纯度很关键。我建议用99.999%的高纯铝靶，氮气流量控制在30-50 sccm，溅射功率300W左右。这样长出来的AlN薄膜c轴取向好，压电性能才出得来。
好了，材料这块就聊到这儿。下一章咱们讲 actuator 设计，到时候会用到这些材料的实际参数。有什么问题随时问我。