微纳加工技术
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• 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
• 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。
• 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。
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。
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
• 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。
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
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
பைடு நூலகம்
原理：
↓ —— 真空条
件下，聚焦能量密度极高
的电子束，
↓ —— 极高的
• 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。
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0.1µm，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；
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
• 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。
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。
• 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
• 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。
• 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。
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。
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
• 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。
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
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
பைடு நூலகம்
原理：
↓ —— 真空条
件下，聚焦能量密度极高
的电子束，
↓ —— 极高的
• 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。
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0.1µm，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；
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
• 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。
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。