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1、先進(jìn)制造技術(shù)2.3 微納加工技術(shù)主講人0 8 0 2 1 1 0 3 2 4 谷風(fēng)康0 8 0 2 1 1 0 3 2 5 龍佳 2 0 1 2 年1 2 月2 7 日 微 鑷 子 微 鏡 陣 列微 馬 達(dá) 微 繼 電 器 微 鉸 鏈 2.3.1 微納加工技術(shù)概述 前 面 我 們 有 講 到 精 密 和 超 精 密 加 工 ， 主 要 指 表 面 的 加 工 ，是 對(duì) 平 面 、 規(guī) 則 曲 面 與 自 由 曲 面 的 光 整 加 工 技 術(shù) 。 而 這 節(jié)我 們 要 講 到 的 微 納 加 工 主 要 是 指 在 很 小 或 很 薄 的 工 件 上 進(jìn)行 小 孔 、 微 孔 、 微 槽 、

2、微 復(fù) 雜 表 面 的 加 工 。 例 如 對(duì) 半 導(dǎo) 體表 面 進(jìn) 行 磨 削 、 研 磨 和 拋 光 屬 超 精 密 加 工 ， 而 在 其 上 刻 制超 大 規(guī) 模 集 成 電 路 ， 則 屬 于 微 納 加 工 技 術(shù) 。 微 納 加 工 技 術(shù) 往 往 牽 涉 材 料 的 原 子 級(jí) 尺 度 。 納 米 技 術(shù) 是 指 有 關(guān) 納 米 級(jí) （ 0 .1 -1 0 0 ） 的 材 料 、 設(shè) 計(jì) 、制 造 、 測(cè) 量 、 控 制 和 產(chǎn) 品 的 技 術(shù) 。 納 米 技 術(shù) 是 科 技 發(fā) 展 的 一 個(gè) 新 興 領(lǐng) 域 ， 它 不 僅 僅 是 關(guān) 于 如何 將 加 工 和 測(cè) 量 精

3、度 從 微 米 級(jí) 提 高 到 納 米 級(jí) 的 問(wèn) 題 ， 也 是關(guān) 于 人 類 對(duì) 自 然 的 認(rèn) 識(shí) 和 改 造 如 何 從 宏 觀 領(lǐng) 域 進(jìn) 入 到 微 觀領(lǐng) 域 。 2.3.2微納加工技術(shù)分類 微 納 加 工 技 術(shù) 是 由 微 電 子 技 術(shù) 、 傳 統(tǒng) 機(jī) 械 加 工 、 非 傳 統(tǒng) 加工 技 術(shù) 或 特 種 加 工 技 術(shù) 衍 生 而 來(lái) 的 ， 按 其 衍 生 源 的 不 同 ，可 將 微 納 加 工 分 為 ： 由 硅 平 面 技 術(shù) 衍 生 的 微 納 加 工微 蝕 刻 加 工 和 由 特 種 加 工 技 術(shù) 衍 生 的 微 納 特 種 加 工 。由 特 種 加 工 技

4、術(shù) 衍 生 的 微 納 加 工 微 納 特 種 加 工 。 2.3.3微蝕刻加工 濕 法 刻 蝕 是 將 硅 片 浸 沒(méi) 于 某 種 化 學(xué) 溶 劑 中 ， 該 溶 劑 與 暴 露 的 區(qū) 域 發(fā)生 反 應(yīng) ， 形 成 可 溶 解 的 副 產(chǎn) 品 。 濕 法 腐 蝕 的 速 率 一 般 比 較快 ， 一 般 可 達(dá) 到 每 分 鐘 幾 微 米 甚 至 幾 十 微 米 ， 所 需 的 設(shè) 備簡(jiǎn) 單 ， 容 易 實(shí) 現(xiàn) 。 硅 的 濕 法 刻 蝕 是 先 將 材 料 氧 化 ， 然 后 通 過(guò) 化 學(xué) 反 應(yīng) 使 一 種或 多 種 氧 化 物 溶 解 。 在 同 一 刻 蝕 液 中 ， 由 于 混

5、 有 各 種 試 劑， 所 以 上 述 兩 個(gè) 過(guò) 程 是 同 時(shí) 進(jìn) 行 的 。 這 種 氧 化 化 學(xué) 反 應(yīng) 要求 有 陽(yáng) 極 和 陰 極 ， 而 刻 蝕 過(guò) 程 沒(méi) 有 外 加 電 壓 ， 所 以 半 導(dǎo) 體表 面 上 的 點(diǎn) 便 作 為 隨 機(jī) 分 布 的 局 域 化 陽(yáng) 極 和 陰 極 。 由 于 局 域 化 電 解 電 池 作 用 ， 半 導(dǎo)體 表 面 發(fā) 生 了 氧 化 反 應(yīng) 并引 起 相 當(dāng) 大 的 腐 蝕 電 流 (有報(bào) 導(dǎo) 超 過(guò) 100A/cm2). 每 一個(gè) 局 域 化 區(qū) 在 一 段 時(shí) 間 內(nèi)既 起 陽(yáng) 極 又 起 陰 極 作 用 。如 果 起 陽(yáng) 極 和 起

6、陰 極 作 用的 時(shí) 間 大 致 相 等 ， 就 會(huì) 形成 均 勻 刻 蝕 ， 反 之 ， 若 兩者 的 時(shí) 間 相 差 很 大 ， 則 出現(xiàn) 選 擇 性 腐 蝕 根 據(jù) 腐 蝕 效 果 可 以 將 濕 法腐 蝕 分 為 各 向 同 性 腐 蝕 和各 向 異 性 腐 蝕 。 干 法 刻 蝕是利用反應(yīng)性氣體或離子流進(jìn)行腐蝕的方法。干法刻蝕既可以刻蝕非金屬材料，也可以刻蝕多種金屬；既可以各向同性刻蝕，也可以各向異性刻蝕。干法刻蝕按原理來(lái)分可分為：離子刻蝕技術(shù)，包括濺射刻蝕和離子束刻蝕，其腐蝕機(jī)理是物理濺射；等離子體刻蝕技術(shù)，在襯底表面產(chǎn)生純化學(xué)反應(yīng)腐蝕；反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，它是化學(xué)反應(yīng)和物理濺射效應(yīng)

7、的綜合。 自 停 止 腐 蝕 技 術(shù) 各向異性濕法腐蝕常用于硅片的背腔腐蝕，以制備具有薄膜結(jié)構(gòu)的MEMS器件。制備薄膜最簡(jiǎn)單的方法是控制各向異性腐蝕的時(shí)間，這種方法不需要額外的工藝步驟和設(shè)備，比較容易實(shí)現(xiàn)，但薄膜的厚度和均勻性很難精確控制，而且腐蝕過(guò)程中還要不斷的監(jiān)控腐蝕速率的變化，這種方法只能用于對(duì)精度要求不高的器件。精確的控制薄膜厚度和均勻性需要采用自停止腐蝕技術(shù)。所謂自停止腐蝕技術(shù)是指薄膜的厚度由其他工藝步驟控制，如摻雜、外延等，腐蝕演進(jìn)面達(dá)到薄膜材料時(shí)即自行停止腐蝕的過(guò)程。 半 導(dǎo) 體 蝕 刻 加 工 光 刻 加 工 半 導(dǎo) 體 蝕 刻 加 工 是 利 用 光 致 抗 蝕 劑 的 光

8、化 學(xué) 反 應(yīng) 特 點(diǎn) ， 在紫 外 線 照 射 下 ， 將 照 相 制 版 （ 掩 膜 版 ） 上 的 圖 形 精 確 的 印制 在 有 光 致 抗 蝕 劑 的 工 作 表 面 ， 在 利 用 光 致 抗 蝕 劑 的 耐 腐蝕 特 性 ， 對(duì) 工 作 表 面 進(jìn) 行 腐 蝕 ， 從 而 獲 得 極 為 復(fù) 雜 的 精 確圖 形 ， 半 導(dǎo) 體 光 刻 加 工 是 半 導(dǎo) 體 工 業(yè) 極 為 主 要 的 一 項(xiàng) 加 工技 術(shù) 。 x射 線 刻 蝕 電 鑄 模 法 為 了 克 服 光 刻 法 制 作 的 零 件 厚 度 過(guò) 薄 的 不 足 ， 我 們 研 制 了x射 線 刻 蝕 電 鑄 模 法

9、。 其 主 要 工 藝 有 以 下 三 個(gè) 工 序 ： 1 )把 從 同 步 加 速 器 放 射 出 的 具 有 短 波 長(zhǎng) 和 很 高 平 行 線 的 x射線 作 為 曝 光 光 源 ， 在 最 大 厚 度 達(dá) 5 0 0 um的 光 致 刻 蝕 劑 上 生成 曝 光 圖 形 的 三 維 實(shí) 體 。 2 ） 用 曝 光 刻 蝕 的 圖 形 實(shí) 體 做 電 鑄 的 模 具 ， 生 成 鑄 型 。 3 ） 以 生 成 的 鑄 型 作 為 注 射 成 型 的 模 具 ， 即 能 加 工 出 所 需的 微 型 零 件 。 2.3.4微納特種加工特 種 加 工 的 本 質(zhì) 特 點(diǎn) ：(1) 主 要 依

10、 靠 能 量 ： 電 、 化 學(xué) 、 光 、 聲 、 熱 ， 次 要 依 靠 ： 機(jī) 械 能 ；(2) 對(duì) 工 具 要 求 ： 可 以 切 削 硬 度 很 高 的 工 件 ， 甚 至 可 以 沒(méi) 有 工 具 ；(3) 不 存 在 顯 著 的 機(jī) 械 切 削 力 。特 種 加 工 的 種 類 ：電 火 花 、 電 化 學(xué) 、 超 聲 、 激 光 、 電 子 束 、 離 子 束 、 快 速 成形 、 等 離 子 體 、 化 學(xué) 、 磨 料 流 、 水 射 流 、 微 弧 氧 化 等 。 傳 統(tǒng) 納 米 加 工 的 種 類 ：基 于 SPM的 納 米 加 工 （ STM、 AFM） 、 自 組 裝

11、納 米 制 造 、LIGA納 米 制 造 等 。 注 ： SPM 掃 描 探 針 顯 微 鏡 、 STM 掃 描 隧 道 顯 微 鏡 、AFM 原 子 力 顯 微 鏡 特 種 納 米 加 工 的 種 類 ：電 子 束 、 離 子 束 、 電 化 學(xué) 電 子 束 加 工 原 理原 理 ： 真 空 條件 下 ， 聚 焦 能 量 密 度 極 高的 電 子 束 ， 極 高 的速 度 沖 擊 到 工 件 表 面 極 小的 面 積 上 ， 在 極 短的 時(shí) 間 內(nèi) ， 能 量 的 大 部 分轉(zhuǎn) 變 為 熱 能 ，被 沖 擊 部 分 的 工 件 材 料 熔化 和 氣 化 ， 被 真 空 系 統(tǒng) 抽走 。 電

12、 子 束 加 工 的 特 點(diǎn)1.束 徑 微 小 ：可 達(dá) 0.1m， 最 小 直 徑 部 分 長(zhǎng) 度 可 達(dá) 直 徑 的 幾 十 倍 ；2.能 量 密 度 很 高 ： 功 率 密 度 達(dá) 109W/cm2， 材 料 瞬 時(shí) 蒸 發(fā) 去 除3.可 加 工 材 料 范 圍 廣 ：去 除 材 料 靠 瞬 時(shí) 蒸 發(fā) ， 非 接 觸 式 加 工 ， 驟 冷 驟 熱 ， 熱 影 響小 。對(duì) 脆 性 、 韌 性 、 導(dǎo) 體 、 非 導(dǎo) 體 、 半 導(dǎo) 體 都 可 以 加 工 ；4.加 工 效 率 高 能 量 密 度 高 ；5.控 制 性 能 好 ： 磁 、 電 場(chǎng) 控 制 強(qiáng) 度 、 位 置 、 聚 焦

13、。 便 于 自 動(dòng)化 ；6.加 工 溫 度 容 易 控 制 ： 電 壓 電 流 功 率 密 度 溫 度 ，可 高 能 電 子 束 熱 加 工 ， 也 可 低 能 電 子 束 化 學(xué) 加 工 (冷 加 工 )7.污 染 小 ： 在 真 空 條 件 下 工 作 ， 對(duì) 工 件 污 染 小 ， 不 會(huì) 氧 化 ；8.缺 點(diǎn) ： 需 專 用 設(shè) 備 和 真 空 系 統(tǒng) ， 價(jià) 格 較 貴 。 離 子 束 加 工原 理 ： 離 子 源 產(chǎn) 生 的 離 子 束 真 空 條 件 下 ， 利 用 電 場(chǎng) 和磁 場(chǎng) 加 速 聚 焦 撞 擊 到 工 件 表 面 高 速 運(yùn) 動(dòng) 的 離 子 的 動(dòng) 能 將 工 件

14、表 面 的 原 子 撞 擊 出 來(lái)物 理 基 礎(chǔ) ：撞 擊 效 應(yīng) ： 離 子 斜 射 到 工 件 材 料 表 面 將 表 面 原 子 撞 擊 出來(lái) ；濺 射 效 應(yīng) ： 離 子 斜 射 到 靶 材 表 面 將 靶 材 表 面 原 子 撞 擊 出來(lái) 濺 射 到 附 近 的 工 件 上 ； 注 入 效 應(yīng) ： 離 子 能 量 足 夠 大 并 垂 直 工 件 表 面 撞 擊 鉆 進(jìn) 工件 表 面 。 與 電 子 束 的 區(qū) 別 ：電 子 束 動(dòng) 能 轉(zhuǎn) 化 為 熱 能離 子 束 微 觀 的 機(jī) 械 撞 擊 能 電化學(xué)加工原理 i e e i Cu2+ H + Cl - OH - 陰 極 陽(yáng) 極 C

15、u Cu CuCl2水 溶 液 中插 入 兩 個(gè) 銅 片加 上 10V直 流 電 導(dǎo) 線 和 溶 液 中有 電 流 流 過(guò) 在 金 屬 和 溶 液 之 間必 定 存 在交 換 電 子 的 反 應(yīng) 電 化 學(xué) 反 應(yīng)陽(yáng) 極溶 解 陰 極沉 積 電 化 學(xué) 加 工 的 分 類按 其 作 用 原 理 分 三 大 類 ：1. 利 用 電 化 學(xué) 陽(yáng) 極 溶 解 來(lái) 進(jìn) 行 加 工 ， 如 電 解 加 工 、 電 解 拋 光 ；2. 利 用 電 化 學(xué) 陰 極 沉 積 、 涂 覆 進(jìn) 行 加 工 ， 如 電 鍍 、 電 鑄 、 涂 鍍 ；3. 利 用 電 化 學(xué) 與 其 它 加 工 方 法 相 結(jié) 合

16、的 電 化 學(xué) 復(fù) 合 加 工 ， 電 解 磨 削 、 電 解 研 磨 、 電 解 電 火 花 復(fù) 合 加 工 等 。 其 他 微 納 加 工 技 術(shù) 目 前 用 于 UMEs制 備 的 微 電 子 工 業(yè) 中 的 微 納 加 工 技 術(shù) 還 包括 ： 體 材 料 微 納 加 工 技 術(shù) 和 聚 焦 離 子 束 (focused ionbeam， FIB)切 割 技 術(shù) 。 體 材 料 微 納 加 工 技 術(shù) 主 要 為 體 硅 微納 加 工 技 術(shù) 。 體 硅 微 納 加 工 技 術(shù) 是 指 去 除 相 當(dāng) 大 量 的 硅 襯底 以 形 成 的 三 維 立 體 微 結(jié) 構(gòu) ， 它 采 用 了

17、 表 面 微 納 加 工 技 術(shù)的 某 些 工 藝 過(guò) 程 ， 主 要 通 過(guò) 光 刻 掩 膜 技 術(shù) 、 硅 刻 蝕 自 終 止技 術(shù) 和 硅 刻 蝕 技 術(shù) 來(lái) 加 工 三 維 硅 微 結(jié) 構(gòu) 。 FIB加 工 技 術(shù) 是聚 焦 離 子 束 斑 到 亞 微 米 或 納 米 級(jí) ， 同 時(shí) 通 過(guò) 偏 轉(zhuǎn) 系 統(tǒng) 對(duì) 聚焦 離 子 束 進(jìn) 行 控 制 ， 在 加 工 過(guò) 程 中 ， 采 用 聚 焦 離 子 束 可 以進(jìn) 行 微 納 結(jié) 構(gòu) 的 切 割 。 切 割 的 定 位 精 度 可 以 小 于 10 nm，切 割 后 表 面 的 光 潔 度 高 。 除 上 述 微 電 子 工 業(yè) 中 的

18、 微 納 加 工技 術(shù) 外 ， 還 可 以 采 用 下 述 微 加 工 技 術(shù) 進(jìn) 行 UMEs陣 列 的 制 備， 包 括 絲 網(wǎng) 印 刷 技 術(shù) -I ； 在 納 米 多 孑 L模 板 上 的 電 極 材 料的 生 長(zhǎng) 技 術(shù) J。 在 單 UMEs的 制 備 中 還 可 以 采 用 電 沉 積 聚 合物 工 藝 和 光 照 固 化 聚 合 物 工 藝 進(jìn) 行 絕 緣 材 料 的 制 備 。 2 .3 .5 結(jié)論 (1)中 國(guó) 微 納 米 技 術(shù) 的 發(fā) 展 己 步 入 了 一 個(gè) 健 康 的 軌 道 ， 已經(jīng) 從 “ 能 看 不 能 動(dòng) ， 能 動(dòng) 不 能 用 ” ， 走 向 實(shí) 用 化

19、 與 產(chǎn) 業(yè) 化 。 (2)迎 合 21世 紀(jì) 科 學(xué) 技 術(shù) 發(fā) 展 的 主 流 ， 信 息 MEMS(NEMS)和生 物 )得 到 了 優(yōu) 先 發(fā) 展 ； MIMU和 傳 感 技 術(shù) 在 鞏 固 國(guó) 防 中 發(fā)揮 了 作 用 。 (3)微 納 米 器 件 的 制 造 工 藝 瓶 頸 問(wèn) 題 有 所 緩 解 ， 但 仍 有 待加 強(qiáng) ， 微 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 與 工 藝 軟 件 仍 被 國(guó) 外 所 占 據(jù) 。 有 待 開(kāi) 發(fā)中 國(guó) 自 己 的 軟 件 。 (4)微 納 米 技 術(shù) 研 究 中 ， 有 關(guān) 基 本 理 論 的 研 究 明 顯 滯 后 ，多 物 理 場(chǎng) 跨 尺 度 耦 合 問(wèn) 題 的 研 究 仍 是 一 個(gè) 難 點(diǎn) ， 微 納 尺 度下 尺 寸 效 應(yīng) 的 機(jī) 理 性 揭 示 還 遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 不 夠 。 (5)微 納 米 技 術(shù) 和 生 物 醫(yī) 學(xué) 技 術(shù) 的 結(jié) 合 是 一 個(gè) 重 要 方 向 ，開(kāi) 發(fā) 新 型 的 高 靈 敏 度 生 化 微 納 傳 感 器 成 為 未 來(lái) 的 研 究 熱 點(diǎn) 。