硅、纳米加工

（4）扫描探针显微技术用于纳米加工 利用SPM移动原子 当SPM的探针针尖对准试件表面的某个原子 并非常接近时，试件上的该原子将受到两个方面 的力：一是探针针尖原子对该原子间的作用力， 二是试件上其它原子对该原子间的结合力。
利用SPM技术的电子束光刻 电子束光刻方法是当前超大规模集成电路加工的 最常用手段。当AFM(原子力显微镜)使用导电探 针时，控制探针与试件间的偏压（取消针尖与试 件间距离的反馈装置），由于针尖端部极其尖锐， 就可以将针尖处的电子束聚焦到极细。再采用常 规的光刻工艺，使试件表面光刻胶局部感光，将 未感光的光刻胶去除，再进行化学腐蚀，可以得 到极为精细的光刻图形。
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LIGA技术
定义 LIGA是德文Lithographie，Galanoformung和 Abformung三个词，即光刻、电铸和注塑的缩写。 LIGA工艺是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技 术（工艺流程如图所示），主要包括X光深度同步 辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤。
光刻
光刻（photolithography）也称照相平版印刷，是 加工制作半导体结构或器件和集成电路微图形结构 的关键工艺技术。 具体的过程包括掩膜制作和光刻过程两个部分。
①各向同性刻蚀
SiO2掩 膜
（a）
（ b）
图5-1 各向同性刻蚀 （a）各向同性刻蚀（搅拌）；（b）各向同性刻蚀（不搅拌）
②各向异性刻蚀
（c）
（d）
图5-2 各向异性刻蚀 （c）各向异性刻蚀（搅拌）；（d）各向异性刻蚀（不搅拌）
（2）干法刻蚀 ①干法刻蚀种类 等离子刻蚀 反应离子刻蚀 离子束刻蚀与反应离子束刻蚀 增强反应离子刻蚀
Байду номын сангаас
2 微细电火花加工
3.微细电火花线切割加工 微细电火花线切割加工是指加工过程中采用钨合 金或其他材料的微细电极丝（直径为10 μｍ~50 μｍ）进行切割，主要用于加工轮廓尺寸在0.1 mm~1 mm的工件。由于属于非接触式加工，加 工过程中不存在切削力，因此能够保证加工过程 的一致性。
3 纳米加工技术
3 纳米加工技术
4.基于扫描探针显微镜的纳米加工 （1）扫描隧道显微镜的工作原理
激光 探测器 磁探针及悬臂
显示器 样品 计算机及反锁 控制器 压电 扫描仪
图5-26 扫描隧道显微镜的工作原理
扫描隧道显 微镜要用计 算机控制步 进电机的驱 动，使探针 逼近样品， 进入隧道区， 要不断采集 隧道电流， 在恒电流模 式中还要将 隧道电流与 设定值相比 较，再通过 反馈系统控 制探针的进 与退，从而 保持隧道电 流的稳定
②干法刻蚀工艺的理想特征 离子平行入射，以产生各向异性 。 反应性的离子，以提高选择性 。 高密度的离子，以提高刻蚀速率 。 低的入射能量，以减轻硅片的损伤 。
硅微细加工技术
1.硅的面微加工 硅的面微加工是通过薄膜沉积和蚀刻工艺，在晶 片表面上形成较薄微结构的加工技术。表面微加 工使用的薄膜沉积技术主要有物理气相沉积 （PVD）和化学气相沉积（CVD）等方法。典型 的表面微加工方法是牺牲层技术。
2 硅微细加工技术
1.硅的体微加工 硅的体微加工（bulk micromachining）技术是 指利用刻蚀（Etching）等工艺对块状硅进行准 三维结构的微加工，即去除部分基体或衬底材料， 以形成所需要的硅微结构。主要包括刻蚀和停止 刻蚀两项关键技术。 刻蚀法分为湿法刻蚀和干法刻蚀两类 。
（1）湿法刻蚀 湿法刻蚀是通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的 化学反应将被刻蚀物质剥离下来的刻蚀方法。 湿法刻蚀因基底材料不同可以分为各向同性刻蚀 和各向异性刻蚀。
3 纳米加工技术
2.纳米加工机理与关键技术 纳米级加工的物理实质就是要切断原子间的结合， 实现原子或分子的去除。 纳米加工的关键技术如下 ： 检测技术——光干涉测量、扫描显微测量 环境条件控制——恒温、恒湿、防振、超净 机床及工具——高精度 、高刚度 、高稳定性
3 纳米加工技术
3.纳米级加工精度 纳米级加工精度的表征： 纳米级尺寸精度 纳米级几何形状精度 纳米级表面质量
离子束
图5-9 光刻加工过程
工艺流程
可以是最终产品，也 可作为微塑铸的模具
微塑铸：在塑料注入前将 微孔中的空气抽掉，控温
二次微电铸
图3.2.2.1
电铸
与电镀相同 可采用化学度：基于化学 氧化还原反应，不需电源， 不存在电流分布不均匀的 问题；化学镀具有镀层厚 度均匀、针孔少、不受工 件几何形状限制，适合体 积小、形状复杂的镀件； 工艺过程复杂，需要粗化、 敏化、活化等步骤，故采 用仍较少。
2 微细电火花加工
3.基于LIGA技术的微细电火花加工 利用LIGA技术为微细电火花加工提供电极制备手 段，然后再进行微细放电加工，是近年的一个主 要研究方向。 LIGA技术可以制作出具有高深宽比的金属微结构 件，但是材料局限于镍和铜。将LIGA制造出的铜 微结构件作为微细电火花加工的电极，发挥电火 花加工可以加工任意导电材料的优点，就能制作 出材料综合性能更好的微结构或器件。同时，如 果电极损耗得到很好的控制，将可以加工出更高 深宽比的微结构件。
图3.2.2.2

特点 可制造较大高宽比的结构(由于X射线有非常 高的平行度、极强的辐射强度、连续的光谱，波 长短，穿透力强 )； 取材广泛，可以是金属、陶瓷、聚合物、玻 璃等； 可制作任意截面形状图形结构，加工精度高； 可重复复制，符合工业上大批量生产要求， 制造成本相对较低等。
应用

已制造出微米尺度的微齿轮、微过滤器、微红外滤波器、 微加速度传感器、微型涡轮、光纤耦合器和光谱仪等多种 结构器件。
1.纳米技术 微粒达到纳米量级（0.1~100 nm）时，会具有如下 特性： 量子尺寸效应——光、电、磁、热、声及超导电 性与宏观特性显著不同 小尺寸效应——光吸收显著增加 表面和界面效应——表面原子处于严重的缺位状 态很容易与其他原子结合 宏观量子隧道效应——微观粒子具有贯穿势垒的 能力，称为隧道效应
基础材料
牺牲层
牺牲层
结构层
微结构
图5-7 用牺牲层技术制作微结构的基本过程
（1）表面微加工对所采用的材料的要求 ： 结构层必须能够保证所要求的使用性能 牺牲层必须具有足够的力学性能以保证在制作过 程中不会引起分层或裂纹等结构破坏 沉积工艺需要有很好的保形覆盖性质，腐蚀所选 的化学试剂，应能优先腐蚀牺牲层材料 表面加工工艺还应注意与集成电路工艺的兼容性
（2）原子力显微镜工作原理
图5-27 原子力显微镜原理
（3）扫描探针显微关键技术和特点 扫描探针显微镜可以在各种条件（比如真空、常 温、低温、高温、熔温）下和在纳米尺度上对表 面进行加工 STM是目前能提供具有纳米尺度的低能电子束的 惟一手段
扫描探针显微需要解决的关键技术： 振动的影响 噪声的影响 针尖的要求 样品的要求
光刻
1.掩膜制作
设计图 绘图机 原图 缩版机 缩版 复印机 复制版 分步重复 照相机 殖版 复印机
图5-8 掩膜制作过程
光刻
2.光刻过程
预处理 脱脂、抛光、酸洗、水洗
氧化膜
基片
涂胶 甩涂、浸渍、喷涂、印刷
光致抗蚀 剂
曝光 电子束、X射线、远紫外 线、离子束
电子束 掩膜
显影 烘片
窗口
刻蚀 干式、湿式 剥膜、检查