非晶硅在MEMS中的应用

非晶硅，Amorphous silicon （a-Si），又称无定形硅，没有规则的外形和固定的熔点，是非晶体。在上世纪70年代，人们发现非晶硅（a-Si）适合用于薄膜光伏技术，并且可以作为太阳能电池中的半导体，是制造异质结太阳能电池的第二大重要材料。

图 单晶硅原子结构和非晶硅原子结构

非晶硅自70年代引入以来一直是一种很有前途的材料，其用途一直持续到今天，用于混合太阳能电池、开关器件、数字X射线和光学成像、可见光致发光、薄膜晶体管、用于检测生物分子的光传感器、微机电系统（MEMS）、气体传感器、高能粒子像素探测器、光电探测器等。

非晶硅常采用PECVD制备，使用的气源主要是SH₄和Ar，Ar是载气，主要起到稀释SH₄的作用，反应温度一般为200-350°C，其原理是SH₄在一定的温度、射频功率和压力下发生分解反应，吸附到衬底表面扩散成膜，分解的H会使较弱的Si-Si键进行重组，形成Si-H悬键，最后形成氢化非晶硅a-Si：H。a-Si：H比本征的a-Si性质更稳定。气源除了SH₄，也有很多情况下加入PH₃，主要左右是调节非晶硅的电阻率和应力，随着P原子在非晶硅中进行替位式掺杂，电阻率和应力都会降低。

为什么PECVD硅烷分解出来的非晶硅，而不是多晶硅或单晶硅呢？一般单晶硅取向单一，需要用到MOCVD外延制备，沉积条件苛刻。而多晶硅需要的沉积温度较高，把已淀积的非晶硅薄膜放在580℃以上的温度，通过较长时间的热退火，非晶硅可以转化成多晶硅。

那么非晶硅在MEMS中有什么应用呢？非晶硅有着较高的电阻温度系数和良好的力学特性，在MEMS非制冷红外探测器中是作为热敏电阻的热门材料，在此应用中非晶硅被制成很薄的悬空薄膜（100 nm）；其次，非晶硅薄膜还具有TMAH腐蚀速率快以及掩蔽HF腐蚀能力强等优点，可以作为MEMS表面工艺中的牺牲层以及氧化层或玻璃腐蚀的掩模材料，在TMAH和KOH中，与结构层SiO₂具有非常高的刻蚀选择比，比多晶硅的腐蚀速率高出10倍以上；最后，相对于多晶硅，非晶硅沉积温度更低，热预算更低，同时也具有良好的抗化学腐蚀特性，在MEMS中可以用作悬臂梁结构层。