微纳加工技术

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1、先进制造技术2.3 微纳加工技术主讲人0802110324 谷风康0802110325 龙佳 2012年12月27日微镊子微镊子微镜阵列微镜阵列微马达微马达微继电器微继电器微铰链微铰链 2.3.1 微纳加工技术概述 前面我们有讲到精密和超精密加工，主要指表面的加工，是对平面、规则曲面与自由曲面的光整加工技术。而这节我们要讲到的微纳加工主要是指在很小或很薄的工件上进行小孔、微孔、微槽、微复杂表面的加工。例如对半导体表面进行磨削、研磨和抛光属超精密加工，而在其上刻制超大规模集成电路，则属于微纳加工技术。 微纳加工技术往往牵涉材料的原子级尺度。 纳米技术是指有关纳米级（0.1-100）的材料、设计、

2、制造、测量、控制和产品的技术。 纳米技术是科技发展的一个新兴领域，它不仅仅是关于如何将加工和测量精度从微米级提高到纳米级的问题，也是关于人类对自然的认识和改造如何从宏观领域进入到微观领域。2.3.2微纳加工技术分类 微纳加工技术是由微电子技术、传统机械加工、非传统加工技术或特种加工技术衍生而来的，按其衍生源的不同，可将微纳加工分为：由硅平面技术衍生的微纳加工微蚀刻加工和由特种加工技术衍生的微纳特种加工。由特种加工技术衍生的微纳加工微纳特种加工。2.3.3微蚀刻加工 湿法刻蚀 是将硅片浸没于某种化学溶剂中，该溶剂与暴露的区域发生反应，形成可溶解的副产品。湿法腐蚀的速率一般比较快，一般可达到每分钟

3、几微米甚至几十微米，所需的设备简单，容易实现。 硅的湿法刻蚀是先将材料氧化，然后通过化学反应使一种或多种氧化物溶解。在同一刻蚀液中，由于混有各种试剂，所以上述两个过程是同时进行的。这种氧化化学反应要求有阳极和阴极，而刻蚀过程没有外加电压，所以半导体表面上的点便作为随机分布的局域化阳极和阴极。由于局 域化电解电池作用，半导体表面发生了氧化反应并引起相当大的腐蚀电流(有报导超过100A/cm2). 每一个局域化区在一段时间内既起阳极又起阴极作用。如果起阳极和起阴极作用的时间大致相等，就会形成均匀刻蚀，反之，若两者的时间相差很大，则出现选择性腐蚀 根据腐蚀效果可以将湿法腐蚀分为各向同性腐蚀和各向异性

4、腐蚀。 干法刻蚀 是利用反应性气体或离子流进行腐蚀的方法。干法刻蚀既可以刻蚀非金属材料，也可以刻蚀多种金属；既可以各向同性刻蚀，也可以各向异性刻蚀。干法刻蚀按原理来分可分为：离子刻蚀技术，包括溅射刻蚀和离子束刻蚀，其腐蚀机理是物理溅射；等离子体刻蚀技术，在衬底表面产生纯化学反应腐蚀；反应离子刻蚀技术，它是化学反应和物理溅射效应的综合。 自停止腐蚀技术 各向异性湿法腐蚀常用于硅片的背腔腐蚀，以制备具有薄膜结构的MEMS器件。制备薄膜最简单的方法是控制各向异性腐蚀的时间，这种方法不需要额外的工艺步骤和设备，比较容易实现，但薄膜的厚度和均匀性很难精确控制，而且腐蚀过程中还要不断的监控腐蚀速率的变化，

5、这种方法只能用于对精度要求不高的器件。精确的控制薄膜厚度和均匀性需要采用自停止腐蚀技术。所谓自停止腐蚀技术是指薄膜的厚度由其他工艺步骤控制，如掺杂、外延等，腐蚀演进面达到薄膜材料时即自行停止腐蚀的过程。半导体蚀刻加工 光刻加工光刻加工 半导体蚀刻加工是利用光致抗蚀剂的光化学反应特点，在紫外线照射下，将照相制版（掩膜版）上的图形精确的印制在有光致抗蚀剂的工作表面，在利用光致抗蚀剂的耐腐蚀特性，对工作表面进行腐蚀，从而获得极为复杂的精确图形，半导体光刻加工是半导体工业极为主要的一项加工技术。 x射线刻蚀电铸模法射线刻蚀电铸模法 为了克服光刻法制作的零件厚度过薄的不足，我们研制了x射线刻蚀电铸模法。

6、其主要工艺有以下三个工序： 1)把从同步加速器放射出的具有短波长和很高平行线的x射线作为曝光光源，在最大厚度达500um的光致刻蚀剂上生成曝光图形的三维实体。 2）用曝光刻蚀的图形实体做电铸的模具，生成铸型。 3）以生成的铸型作为注射成型的模具，即能加工出所需的微型零件。2.3.4微纳特种加工特种加工的本质特点：(1) 主要依靠能量：电、化学、光、声、热， 次要依靠：机械能；(2) 对工具要求：可以切削硬度很高的工件，甚至可以没 有工具；(3) 不存在显著的机械切削力。特种加工的种类：电火花、电化学、超声、激光、电子束、离子束、快速成形、等离子体、化学、磨料流、水射流、微弧氧化等。传统纳米加工

7、的种类：基于SPM的纳米加工（STM、AFM）、自组装纳米制造、LIGA纳米制造等。 注：SPM扫描探针显微镜、STM扫描隧道显微镜、AFM原子力显微镜 特种纳米加工的种类：电子束、离子束、电化学电子束加工原理原理： 真空条件下，聚焦能量密度极高的电子束， 极高的速度冲击到工件表面极小的面积上， 在极短的时间内，能量的大部分转变为热能，被冲击部分的工件材料熔化和气化，被真空系统抽走。电子束加工的特点1.束径微小：可达0.1m，最小直径部分长度可达直径的几十倍；2.能量密度很高：功率密度达109W/cm2，材料瞬时蒸发去除3.可加工材料范围广：去除材料靠瞬时蒸发，非接触式加工，骤冷骤热，热影响小

8、。对脆性、韧性、导体、非导体、半导体都可以加工；4.加工效率高 能量密度高；5.控制性能好：磁、电场控制强度、位置、聚焦。便于自动化；6.加工温度容易控制：电压电流功率密度温度，可高能电子束热加工，也可低能电子束化学加工(冷加工)7.污染小：在真空条件下工作，对工件污染小，不会氧化；8.缺点：需专用设备和真空系统，价格较贵。离子束加工原理：离子源产生的离子束 真空条件下，利用电场和磁场加速聚焦 撞击到工件表面 高速运动的离子的动能 将工件表面的原子撞击出来物理基础：撞击效应：离子斜射到工件材料表面将表面原子撞击出来；溅射效应：离子斜射到靶材表面将靶材表面原子撞击出来溅射到附近的工件上； 注入效

9、应：离子能量足够大并垂直工件表面撞击钻进工件表面。 与电子束的区别：电子束动能转化为热能离子束微观的机械撞击能电化学加工原理 i e e i Cu2+ H + Cl - OH - 阴极阴极 阳极阳极 Cu Cu CuCl2水溶液中插入两个铜片加上10V直流电导线和溶液中有电流流过在金属和溶液之间必定存在交换电子的反应电化学反应阳极溶解阴极沉积电化学加工的分类按其作用原理分三大类：1. 利用电化学阳极溶解来进行加工， 如电解加工、电解抛光；2. 利用电化学阴极沉积、涂覆进行加工， 如电镀、电铸、涂镀；3. 利用电化学与其它加工方法相结合的电化学复合加工， 电解磨削、电解研磨、电解电火花复合加工等

10、。其他微纳加工技术 目前用于UMEs制备的微电子工业中的微纳加工技术还包括：体材料微纳加工技术和聚焦离子束(focused ionbeam，FIB)切割技术。体材料微纳加工技术主要为体硅微纳加工技术。体硅微纳加工技术是指去除相当大量的硅衬底以形成的三维立体微结构，它采用了表面微纳加工技术的某些工艺过程，主要通过光刻掩膜技术、硅刻蚀自终止技术和硅刻蚀技术来加工三维硅微结构。FIB加工技术是聚焦离子束斑到亚微米或纳米级，同时通过偏转系统对聚焦离子束进行控制，在加工过程中，采用聚焦离子束可以进行微纳结构的切割。切割的定位精度可以小于10 nm，切割后表面的光洁度高。除上述微电子工业中的微纳加工技术外

11、，还可以采用下述微加工技术进行UMEs阵列的制备，包括丝网印刷技术-I ；在纳米多孑L模板上的电极材料的生长技术 J。在单UMEs的制备中还可以采用电沉积聚合物工艺和光照固化聚合物工艺 进行绝缘材料的制备。2.3.5结论 (1)中国微纳米技术的发展己步入了一个健康的轨道，已经从“能看不能动，能动不能用”，走向实用化与产业化。 (2)迎合21世纪科学技术发展的主流，信息MEMS(NEMS)和生物)得到了优先发展；MIMU和传感技术在巩固国防中发挥了作用。 (3)微纳米器件的制造工艺瓶颈问题有所缓解，但仍有待加强，微系统设计与工艺软件仍被国外所占据。有待开发中国自己的软件。 (4)微纳米技术研究中，有关基本理论的研究明显滞后，多物理场跨尺度耦合问题的研究仍是一个难点，微纳尺度下尺寸效应的机理性揭示还远远不够。 (5)微纳米技术和生物医学技术的结合是一个重要方向，开发新型的高灵敏度生化微纳传感器成为未来的研究热点。