面向下一代极端环境应用的MEMS技术：基于SiC与金刚石的设计、建模与仿真研究

1.介绍

微机电系统(MEMS)开发领域的最新努力旨在探索适合覆盖传统硅基板无法充分满足的应用领域的新材料体系。与硅基板相比，碳化硅和金刚石作为MEMS基板的主要优势在于这些材料的固有机械和化学稳定性。磷化硅和金刚石器件从研发中脱颖而出，成为高功率微波器件的有前途候选材料。其卓越且独特的组合--高饱和电子速度、强电场击穿以及前所未有的热导率--集中了研发领域的关注。

除了上述参数外，卓越的硬度、高杨氏模量和高化学耐受性使碳化硅基和金刚石基MEMS系统注定能够在恶劣环境中运行。此外，即使在技术发展的非常早期阶段，也有可能设计和制造嵌入在大多数碳化硅和金刚石技术中的简单传感器和执行器系统。通过数学建模和仿真进行的数值器件表征方法已实现了器件参数的理论预测。这是虚拟原型设计的主要理念，不仅适用于成熟技术，也适用于新兴技术在器件制造前的早期开发阶段。其优势在于降低制造成本和时间。

本文致力于提供一份详细的综述，重点聚焦于在MEMS开发中使用此类实验材料(如碳化硅和金刚石)制造MEMS的研发工作。

2.材料特性

所有无法通过标准硅微加工技术实现的微传感器应用都属于恶劣环境应用。此类环境包括高温、高损、高辐射，或受腐蚀性化学品影响。使碳化硅和金刚石非常适合此类应用的突出特性包括宽禁带、高硬度、对酸碱化学蚀刻的高抗性和缓慢氧化速率。碳化硅和金刚石在射频MEMS应用中也备受关注，其高杨氏模量可制造出适用于前所未有的高频范围(高达GHz)的机械谐振器。表I总结了适用于恶劣环境的半导体(硅、碳化硅、金刚石)的特性。

3.硅、碳化硅和金刚石的MEMS器件建模与仿真及Si-MEMSX悬臂梁的制造

对于大多数MEMS传感器来说，主要的机械部件是一个悬臂、带弹簧或不带弹簧的膜片或桥。基于悬的传感器是基于测量这些结构的物理量的变化，如共振频率、振幅和品质因数。

这类传感器应用广泛[7>9]，尤其在需要高灵敏度和可靠性时表现突出。例如，生物检测领域的质量传感器、高频振荡器以及通信领域的激光发射器都是典型应用场景。悬臂梁传感器的灵敏度与其共振频率成正比，因此高共振频率的设备具有高分辨率--这意味着当目标分子附着在悬臂梁表面时，只需极微量就能引发共振频率的显著偏移。提升设备共振频率有两种途径:选择合适材料或调整物理尺寸。缩短悬臂梁长度是提高频率的有效方法，但需要确保悬臂梁尺寸适中--这既满足光学对准需求(通常使用激光束检测共振频率)，也便于附着足够量的生物活性分子用于检测。

悬臂梁的设计长度为1000 μ米至4000米，宽度为300μ米至700 μ米(图1)。在自由端施加模拟集中荷载,并利用该点的弯矩进行T形梁刚度的计算。

表2不同基底上MEMS悬臂梁的模式数及其共振频率:硅，碳化硅和钻石。

表3不同基底上最大MEMS悬臂位移(悬端)和在le-3 MPa以下载荷下的最大剪切应力。

本研究采用科文特沃软件"M建模与仿真平台[10]，通过有限元建模技术对器件固有谐振频率进行分析。仿真结果汇总于表I和表I。图2展示了在硅基板上使用ITE设备制造的MEMS悬臂梁器件X:该臂梁将用于三维硅片封装(3DSP)互连结构的专用加速老化测试。

图1.建模和模拟:从掩模集到3D模型，再到coventorware环境中的FEM多域模拟，

图2.基于MEMS的样品X悬臂梁，该器件在硅基板上通过ITE制造，用于三维硅片封装(3D SiP)中互连结构的加速老化测试