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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 0802110324 谷風(fēng)康 0802110325 龍佳 2012年12月27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、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)（0.1-100）的材料、設(shè)計(jì)、制造、測(cè)量、控制和
2、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)量精度從微米級(jí)提高到納米級(jí)的問(wèn)題，也是關(guān)于人類(lèi)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(lèi),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
3、，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
4、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)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
5、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。其主要工藝有以下三個(gè)工序： 1)把從同步加速器放
6、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)500um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(lèi)：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(lèi)：基于SPM的納米加工（STM、AFM
7、）、自組裝納米制造、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(lèi)：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?yōu)闊崮?，被沖擊部分的工件材料熔化和氣化，被真空系統(tǒng)抽走,電子束加工的特點(diǎn),束徑微?。嚎蛇_(dá)0.1m，最小直徑部分長(zhǎng)度可達(dá)直徑的幾十倍； 能量密度很高：功率密度達(dá)109W/cm2，材料瞬時(shí)蒸發(fā)去除 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
8、； 加工效率高 能量密度高； 控制性能好：磁、電場(chǎng)控制強(qiáng)度、位置、聚焦。便于自動(dòng)化； 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) 污染?。涸谡婵諚l件下工作，對(duì)工件污染小，不會(huì)氧化； 缺點(diǎn)：需專(zhuān)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
9、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,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(lèi),按其作用原理分三大類(lèi)： 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
10、束(focused ionbeam，F(xiàn)IB)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
11、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?qū)嵱没c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)
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