第十二章 表面微细加工技术

• 光刻胶又称光致抗蚀剂或感光胶，是一类 经光照后能发生交联、分解或聚合等光化 学反应的高分子溶液。 • 掩模是一块印有所需加工图形的透光玻璃 底版，可通过电子束曝光法将计算机设计 的图形转换到掩模上。
• 2、光刻加工工艺 • 集成电路是将互相连接的电路元件按规定 的位置制作在半导体基片上。集成电路芯 片的制作过程精细而复杂，需要经过外延、 沉积、氧化、扩散、离子注入等工艺制造 出十分精细复杂的多层立体结构。 • 光刻工艺基本过程：涂胶→前烘→曝光→ 显影→坚膜→腐蚀→去胶
• 6、腐蚀 • 对坚膜后的薄膜进行腐蚀处理。由于在SiO2 层上方留下的胶膜具有抗腐蚀性能，所以腐 蚀时只是将没有光刻胶膜保护的SiO2薄膜部 分腐蚀掉，而光刻胶及其覆盖的SiO2薄膜部 分则被完好地保存下来。腐蚀液腐蚀和等离 子体腐蚀。 • 7、去胶 • 腐蚀完成后，将留在SiO2薄膜上的胶膜去掉。 去胶方法主要有：溶剂去胶、氧化去胶和等 离子去胶。
• 4、显影 • 将曝光后的Si片在显影液中浸泡数十秒，则 负性光刻胶的未感光部分将被溶解，从而 使掩模上的图形被完整地复制到光刻胶上。 显影后一般应检测图形是否套准，是否符 合质量要求。
• 5、坚膜 • 显影完并经清洗后，对有光刻胶膜图像的Si 片再次烘烤，称为坚膜。此过程是为了排 除光刻胶膜中残留的显影液和水分，使胶 膜硬化并使其与SiO2膜有更好的黏附性， 并提高胶膜的耐刻蚀能力。坚膜一般是在 180~200摄氏度的温度下烘烤大约30min左 右。
12.1.5 电解微细加工
• 电解微细加工是指在电解液中，利用阳极 金属的电化学溶解原理来去除材料的制造 技术。 • 电解加工时，阳极金属材料是以离子状态 被溶解掉，通过控制电流的大小和电流通 过时间，来控制工件的去除速度和去除量， 从而得到高精度、微小尺寸的零件。
12.1.6 超声波微细加工
• 超声波微细加工是通过工具端面作超声频 率的振动，利用磨料悬浮液加工硬脆材料 的一种方法。
12.1.3 高能束微细加工
• 高能束微细加工是利用能量密度很高的激 光束、电子束或离子束等去除工件材料的 加工方法的总称。
• 1、激光束微细加工 • 1）激光束加工类型 • 根据光与物质相互作用的机理，激光加工 大致可以分为热效应加工和光化学反应加 工两大类。 • 激光热效应加工是指用高功率密度的激光 束照射到金属或非金属材料上，使其产生 基于快速热效应的各种加工过程。 • 光化学反应加工主要指高功率密度的激光 与物质发生作用时，可诱发或控制物质的 化学反应来完成各种加工过程，又称为激 光冷加工。
• 3、离子束微细加工 • 电子束微细加工是利用离子源中产生的离 子，引出并进行加速和聚焦，形成高能量 的聚焦离子束，向真空室中的工件表面轰 击来实现微细加工。 • 离子束加工主要是利用离子束轰击材料时 的动量传递实现对材料的溅射刻蚀。
12.1.4 微细电火花加工
• 微细电火花加工是将工具电极和工件浸泡 在绝缘的工作液中，利用工具电极和工件 间脉冲火花放电产生的瞬间、局部高温使 金属局部蒸发而被蚀除的一种加工技术。
第十二章 表面微细加工技术
12.1 常用微细加工技术简介
• 微细加工是一种加工尺寸从微米到纳米量 级的制造微小尺寸元器件或薄膜图形的先 进制造技术。
• 根据加工机理不同，可以将微细加工技术 分为三类： • 1）分离加工：将材料的某一部分分离出去 的加工方式； • 2）结合加工：指同种或不同种材料的附加 或相互结合的加工方式； • 3）变形加工：使材料形状发生变化的加工 方式。
• 2）准分子激光 • 准分子激光是指由惰性气体原子与化学性 质活泼的卤素原子混合后放电激发出高功 率的紫外光，其波长范围在157~351nm， 约为YAG激光波长的1/5和CO2激光波长的 1/50，其单光子的能量高达7.9eV，比大部 分分子的化学键能都高，故能直接深入材 料分子内部进行加工，其加工机理不同于 普通的激光。
• LIGA能在微米级制造平面尺寸，高宽比大 于200的三维微形立体结构件；而且加工的 材料比较广泛，可以是金属、陶瓷和塑料 等材料，尤其适合进行高重复精度的大批 量生产。
• 1、LIGA的工艺过程 • LIGA是德文的光刻照相（Lithographie）、电 铸（Galvanoformng）、模铸（Abformung） 三个词语的缩写，依次表示了该工艺的三个加 工过程：深度同步辐射X射线光刻、电铸成形 和注塑成形。
• 1）涂胶 • 将清洁处理过的Si片放在一个高速旋转的平 台上，在Si片中心滴一滴光刻胶，由于离心 力和胶表面张力的同时作用，在SiO2膜表 面形成一层厚度均匀的胶层。 • 光刻胶是一种对光敏感的高分子有机化合 物，由光敏化合物、树脂和有机溶剂组成。
• 2、前烘 • 将涂好胶的Si片在70摄氏度左右的温度下 烘烤10min，使光刻胶中的溶剂缓慢而充分 地挥发掉，保持光刻胶干燥。常用红外线 加热或热板前烘烤方法。 • 3、曝光 • 将掩模覆盖在光刻胶层上，或将掩模置于 光源与光刻胶之间，用紫外光等透过掩模 对光刻胶进行选择性照射。光刻胶受到照 射的部分就发生了光化学反应，从而改变 了这部分光刻胶的性质。曝光时，准确的 定位和严格控制曝光强度与时间是影响光 刻精度的关键因素。
• 3）飞秒激光微加工 • 飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，具 有超快、超强和高聚焦能力三大特点。其持 续时间可短至4飞秒（1fs=10-15s）以内，峰 值功率高达帕瓦量级（1PW=1015W），聚 焦功率密度达到1020~1022W/cm2。
• 2、电子束微细加工 • 电子束微细加工有热型和非热型两种。 • 热型加工是利用电子束将材料的局部加热 至熔化或气化点进行加工； • 非热型加工是利用电子束的化学效应进行 刻蚀、大面积剥层等微细加工。
12.1.1 光刻加工
• 1、光刻加工原理 • 光刻是集成电路制作工艺中的关键技术，它 是将图像复印与化学腐蚀相结合的表面微细 加工技术。 • 其原理和印刷的照相制版相似，即在硅等基 体材料上涂覆光刻胶，接着利用分辨率极高 的能量束来通过掩模对光刻胶层进行曝光。 经显影后，在光刻胶层上获得了和掩模图像 相同的极微细的几何图形，再利用刻蚀等方 法在工件材料上制造出微型结构。
• 1）深度同步辐射X射线光刻 • 2）电铸成形：电铸成形是根据电镀原理， 在胎膜上沉积相当厚度的金属以形成零件 的方法。胎膜作为阴极，要电铸的金属作 为阳极。 • 3）注塑成形：注塑则是利用电铸得到的金 属微结构作为二级模板，在模板中注入塑 性材料，便可得到塑性微结构件。反复进 行电铸和注塑，即可加工出形状一致的多 种多样的微结构件，并可进行批量生产。
• 3）离子束曝光技术：离子的质量比电子大， 在光刻胶和基片中的散射小，所以离子束 曝光的分辨率比电子束曝光高。 • 4）X射线曝光：X射线曝光光源的波长为 0.1~1.4nm，比紫外光短2~3个数量级，用 作曝光源时可提高光刻图形的分辨率，可 以刻出0.02微米的细微线条。
12.1.2 LIGA微细Βιβλιοθήκη Baidu工技术
• 3、超细线条曝光技术 • 1）远紫外光曝光技术：远紫外光的波长为 200~300nm，与常规光刻曝光工艺中采用的 400nm左右的紫外光相比，光的波长缩短一 半左右，因此，可以获得更高分辨率的光刻 线条。 • 2）电子束曝光技术：电子束曝光是利用电 子束在涂有光刻胶的晶片上直接描画或投影 复印图形的技术。电子束曝光系统的加速电 压通常在10~50kV之间，其相应的电子束波 长范围为0.005~0.01nm。如此短的波长就克 服了衍射效应的限制，从而使电子束曝光具 有极高的分辨率，其极限分辨率可达3~8nm。