微納加工技術PPT課件

先進制造技術2.3 微納加工技術,主講人 0802110324 谷風康 0802110325 龍佳 2012年12月27日,微鑷子,微鏡陣列,微馬達,微繼電器,微鉸鏈,2.3.1 微納加工技術概述,前面我們有講到精密和超精密加工，主要指表面的加工，是對平面、規(guī)則曲面與自由曲面的光整加工技術。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行小孔、微孔、微槽、微復雜表面的加工。例如對半導體表面進行磨削、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。 微納加工技術往往牽涉材料的原子級尺度。 納米技術是指有關納米級（0.1-100）的材料、設計、制造、測量、控制和產品的技術。 納米技術是科技發(fā)展的一個新興領域，它不僅僅是關于如何將加工和測量精度從微米級提高到納米級的問題，也是關于人類對自然的認識和改造如何從宏觀領域進入到微觀領域,2.3.2微納加工技術分類,微納加工技術是由微電子技術、傳統(tǒng)機械加工、非傳統(tǒng)加工技術或特種加工技術衍生而來的，按其衍生源的不同，可將微納加工分為：由硅平面技術衍生的微納加工微蝕刻加工和由特種加工技術衍生的微納特種加工。由特種加工技術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 是將硅片浸沒于某種化學溶劑中，該溶劑與暴露的區(qū)域發(fā)生反應，形成可溶解的副產品。濕法腐蝕的速率一般比較快，一般可達到每分鐘幾微米甚至幾十微米，所需的設備簡單，容易實現。 硅的濕法刻蝕是先將材料氧化，然后通過化學反應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，所以上述兩個過程是同時進行的。這種氧化化學反應要求有陽極和陰極，而刻蝕過程沒有外加電壓，所以半導體表面上的點便作為隨機分布的局域化陽極和陰極。由于局,域化電解電池作用，半導體表面發(fā)生了氧化反應并引起相當大的腐蝕電流(有報導超過100A/cm2). 每一個局域化區(qū)在一段時間內既起陽極又起陰極作用。如果起陽極和起陰極作用的時間大致相等，就會形成均勻刻蝕，反之，若兩者的時間相差很大，則出現選擇性腐蝕 根據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 是利用反應性氣體或離子流進行腐蝕的方法。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。干法刻蝕按原理來分可分為：離子刻蝕技術，包括濺射刻蝕和離子束刻蝕，其腐蝕機理是物理濺射；等離子體刻蝕技術，在襯底表面產生純化學反應腐蝕；反應離子刻蝕技術，它是化學反應和物理濺射效應的綜合,自停止腐蝕技術 各向異性濕法腐蝕常用于硅片的背腔腐蝕，以制備具有薄膜結構的MEMS器件。制備薄膜最簡單的方法是控制各向異性腐蝕的時間，這種方法不需要額外的工藝步驟和設備，比較容易實現，但薄膜的厚度和均勻性很難精確控制，而且腐蝕過程中還要不斷的監(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。所謂自停止腐蝕技術是指薄膜的厚度由其他工藝步驟控制，如摻雜、外延等，腐蝕演進面達到薄膜材料時即自行停止腐蝕的過程,半導體蝕刻加工,光刻加工 半導體蝕刻加工是利用光致抗蝕劑的光化學反應特點，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，對工作表面進行腐蝕，從而獲得極為復雜的精確圖形，半導體光刻加工是半導體工業(yè)極為主要的一項加工技術,x射線刻蝕電鑄模法 為了克服光刻法制作的零件厚度過薄的不足，我們研制了x射線刻蝕電鑄模法。其主要工藝有以下三個工序： 1)把從同步加速器放射出的具有短波長和很高平行線的x射線作為曝光光源，在最大厚度達500um的光致刻蝕劑上生成曝光圖形的三維實體。 2）用曝光刻蝕的圖形實體做電鑄的模具，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 特種加工的本質特點：(1) 主要依靠能量：電、化學、光、聲、熱， 次要依靠：機械能；(2) 對工具要求：可以切削硬度很高的工件，甚至可以沒 有工具；(3) 不存在顯著的機械切削力。 特種加工的種類：電火花、電化學、超聲、激光、電子束、離子束、快速成形、等離子體、化學、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,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， 在極短的時間內，能量的大部分轉變?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,束徑微?。嚎蛇_0.1m，最小直徑部分長度可達直徑的幾十倍； 能量密度很高：功率密度達109W/cm2，材料瞬時蒸發(fā)去除 可加工材料范圍廣：去除材料靠瞬時蒸發(fā)，非接觸式加工，驟冷驟熱，熱影響小。對脆性、韌性、導體、非導體、半導體都可以加工； 加工效率高 能量密度高； 控制性能好：磁、電場控制強度、位置、聚焦。便于自動化； 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加工(冷加工) 污染?。涸谡婵諚l件下工作，對工件污染小，不會氧化； 缺點：需專用設備和真空系統(tǒng)，價格較貴,離子束加工,原理：離子源產生的離子束 真空條件下，利用電場和磁場加速聚焦 撞擊到工件表面 高速運動的離子的動能 將工件表面的原子撞擊出來 物理基礎：撞擊效應：離子斜射到工件材料表面將表面原子撞擊出來；濺射效應：離子斜射到靶材表面將靶材表面原子撞擊出來濺射到附近的工件上； 注入效應：離子能量足夠大并垂直工件表面撞擊鉆進工件表面,與電子束的區(qū)別：電子束動能轉化為熱能離子束微觀的機械撞擊能,電化學加工原理,CuCl2水溶液中,插入兩個銅片,加上10V直流電,導線和溶液中 有電流流過,在金屬和溶液之間 必定存在 交換電子的反應,電化學反應,陽極 溶解,陰極 沉積,電化學加工的分類,按其作用原理分三大類： 1. 利用電化學陽極溶解來進行加工， 如電解加工、電解拋光； 2. 利用電化學陰極沉積、涂覆進行加工， 如電鍍、電鑄、涂鍍； 3. 利用電化學與其它加工方法相結合的電化學復合加工， 電解磨削、電解研磨、電解電火花復合加工等,其他微納加工技術,目前用于UMEs制備的微電子工業(yè)中的微納加工技術還包括：體材料微納加工技術和聚焦離子束(focused ionbeam，FIB)切割技術。體材料微納加工技術主要為體硅微納加工技術。體硅微納加工技術是指去除相當大量的硅襯底以形成的三維立體微結構，它采用了表面微納加工技術的某些工藝過程，主要通過光刻掩膜技術、硅刻蝕自終止技術和硅刻蝕技術來加工三維硅微結構。FIB加工技術是聚焦離子束斑到亞微米或納米級，同時通過偏轉系統(tǒng)對聚焦離子束進行控制，在加工過程中，采用聚焦離子束可以進行微納結構的切割。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)中的微納加工技術外，還可以采用下述微加工技術進行UMEs陣列的制備，包括絲網印刷技術-I ；在納米多孑L模板上的電極材料的生長技術 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 進行絕緣材料的制備,2.3.5結論,1)中國微納米技術的發(fā)展己步入了一個健康的軌道，已經從“能看不能動，能動不能用”，走向實用化與產業(yè)化。 (2)迎合21世紀科學技術發(fā)展的主流，信息MEMS(NEMS)和生物)得到了優(yōu)先發(fā)展；MIMU和傳感技術在鞏固國防中發(fā)揮了作用。 (3)微納米器件的制造工藝瓶頸問題有所緩解，但仍有待加強，微系統(tǒng)設計與工藝軟件仍被國外所占據。有待開發(fā)中國自己的軟件,4)微納米技術研究中，有關基本理論的研究明顯滯后，多物理場跨尺度耦合問題的研究仍是一個難點，微納尺度下尺寸效應的機理性揭示還遠遠不夠。 (5)微納米技術和生物醫(yī)學技術的結合是一個重要方向，開發(fā)新型的高靈敏度生化微納傳感器成為未來的研究熱點