微纳加工技术

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。
• 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，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
• 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
• 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
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
i
e
e
i
阴极
Cu
阳极 溶解
Cl OH -
Cu2+ H+
Cu
阴极 沉积
电化学加工的分类
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。
• (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。
• 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。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。
• 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
电子束加工的特点
1. 束径微小： 可达0.1µm，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。 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。
• 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 各向异性腐蚀。
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； 注入效应：离子能量足够大并垂直工件表面撞击钻进工 件表面。
• 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。
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
微镜阵列
微马达
微继电器
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（0.1-100ｎｍ）的材料、设计、 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
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。
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 ion． beam，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，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。