Материалы изделий микросистемной техники

При создании изделий МСТ используются материалы, которые условно можно разделить на две группы. Первую группу составляют конструкционные материалы: стекло; монокристаллический, поликристаллический, пористый кремний; диоксид и нитрид кремния; полиамид; углепластик; вольфрам; никель; медь; золото. Эти материалы используются для формирования элементов несущих конструкций, элементов токоразводки (проводников, контактных площадок, контактов и т. п.), антифрикционных элементов и др. Во вторую группу входят материалы «активно-чувствительные», выполняющие за счет электростатических, электромеханических, пьезоэлектрических, магнитных, оптических явлений и эффекта памяти формы функции источников движения, механизмов передачи движения, сенсорных и активирующих сред и др. К этой группе можно отнести соединение никель - титан, пермаллой, кварц, окись цинка, пьезокерамику. Учитывая тот факт, что микросистемы представляют собой сложные гетерогенные композиции, требующие сочетания совокупности разнородных материалов, и с учетом возможных особенностей их функционирования (высокие температуры, агрессивные среды, радиация), на передний план выходят гибридные системы, в которых наряду с кремнием и другими полупроводниковыми материалами используются полимеры, керамика, металлы.

При составлении композиций материалов, на основе которых реализуются МСТ различного функционального назначения, должны учитываться следующие факторы: кристаллохимическая и термомеханическая совместимости; тепловая, электрическая, механическая стойкость; механическая усталость.

В микроэлектромеханических системах (наиболее развитом направлении в области МСТ) в качестве базовой материаловедческой среды наибольшее применение имеют структуры «кремний на диоксиде кремния» и «карбид кремния на нитриде алюминия». Последняя композиция сочетает в себе два широкозонных материала, один из которых (AlN) является ярко выраженным диэлектриком и обладает хорошими пьезоэлектрическими свойствами, а другой (SiC) широкозонный полупроводник. Оба материала оптически активны, в том числе в ультрафиолетовой области спектра, имеют высокие значения теплопроводности и стойкости к внешним воздействиям.

В поверхностной микротехнологии с использованием жертвенного (технологического) слоя большое значение имеет соотношение некоторых параметров жертвенного и рабочего слоя (например, термомеханическая совместимость и механическая прочность). Предпочтение по термомеханическим свойствам и устойчивости к воздействию экстремальных факторов имеет композиция алмазоподобных материалов «карбид кремния – нитрид алюминия», в которой карбид кремния является основным рабочим материалом, а нитрид алюминия выполняет функцию жертвенного слоя или элементов несущей конструкции, обладающих изолирующими и пьезоэлектрическими свойствами.

В технологии объемной микромеханики в качестве подложек при глубинном травлении используют фотоситаллы. Фотоситалл – стеклокристаллический материал, получаемый путем искусственной кристаллизации стекла со светочувствительными добавками, например окислами цезия или олова. Фотоситалл обладает высокой механической и термической стойкостью. Под воздействием ультрафиолетового излучения в фотоситалле формируют участки, отличающиеся от неосвещенных растворимостью в жидкостных травителях.

Как уже отмечалось, в качестве конструкционного материала многослойной структуры используется кремний. Изоляционные слои выполняются из оксида кремния SiO₂, или нитрида кремния Si₃N₄ . Планирующие слои, а также некоторые элементы электропроводной разводки выполняются из поликремния Si*. При сборке слоев применяются стеклоприпои, например, низкотемпературный свинцово-силикатный материал С-67 (температура соединения около 500 ^оС) или аморфные стекла барий-алюмо-силикатной системы БАС (температура соединения около 1200 ^оС).