微細加工與納米加工

1、3.2.1微機械及其特征3.2.2微細加工工藝方法3.2.3微細加技術(shù)發(fā)展與趨勢3.2.1微機械概念及其特征1.微機械概念 MEMS是Micro Electro Mechanical Systems的縮寫。即微機電系統(tǒng)，它是在微電子技術(shù)的基礎上發(fā)展起來的，融合了硅微加工、LIGA技術(shù)和精密機械加工等多種微加工技術(shù)， 并應用現(xiàn)代信息技術(shù)構(gòu)成的微型系統(tǒng)。它包括感知和控制外 界信息(力、熱、光、生、磁、化等)的傳感器和執(zhí)行器，以及進行信號處理和控制的電路。它是指可以批量制作的集微型機構(gòu)、微型傳感器、微型 執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、甚至外圍接口、通信電路 和電源等一體的微型器件或系統(tǒng)，其特征尺寸范

2、圍為1nm 10mm. 微機械按其尺寸特征可以分為： 110mm的微小機械； 1um1mm的微機械； 1nm1um的納米機械。 而制造微機械采用的微細加工，又可以進一步分為微米級微細加工、亞微米級微細加工和納米級微細加工等。微機械基本特征1 體積小，精度高，質(zhì)量輕；已經(jīng)制出直徑細如發(fā)絲的齒輪，能開動3mm大小的汽車和花生米大的飛機。2 性能穩(wěn)定，可靠性高；由于體積小，幾乎不受熱膨脹、噪聲等影響，具有較強的抗干擾性，可在較差的環(huán)境下進行穩(wěn)定工作3 能耗低，靈敏度和工作效率高；微機械所消耗的能量遠小于傳統(tǒng)機械的十分之一，但卻能以十倍以上的速度來完成同樣的工作。4 多功能和智能化；微機械集傳感器、執(zhí)

3、行器、信號處理和電子控制電路為一體化，易于實現(xiàn)多功能化和智能化。5 適用于大批量生產(chǎn)，制造成本低；如美國的研究人員制造的雙向光纖維通信所必須的微型光學調(diào)制器，通過光刻技術(shù)制造芯片，做一塊只需幾美分，而過去則要花5000美元。3.2.2微細加工工藝方法l1 超微機械加工l2 光刻加工l3 體刻蝕加工l4 面刻蝕加工l5 LIGA技術(shù)l6 封接技術(shù)l7分子裝配技術(shù)1.超微機械加工微型超精密加工機床結(jié)構(gòu)示意圖 為車、銑、磨、電火花加工的多功能微型加工機床，最小設定單位為1nm，單晶金剛石刀具，刀尖圓弧半徑為100nm左右超微機械加工是指用精密金屬切割、線切割等方法制造毫米級尺寸以下的微機械微零件，是

4、一種三維實體加工技術(shù)，多是單件加工，單件裝配，費用價。微細切削加工存在的主要困難：各類微型刀具的制造、刀具安裝的姿態(tài)、加工基準的轉(zhuǎn)換定位等光刻加工工藝示例 2.光刻加工3.體刻蝕加工技術(shù)l體微機械加工：用腐蝕方法將硅基片有選擇性地去除部分材料的方法。l各向同性腐蝕：以相同速度對所有晶向進行刻蝕；l各向異性腐蝕：在不同晶面，以不同速率進行刻蝕，利用晶格取向，可制作如橋、梁、薄膜等不同的結(jié)構(gòu)4 4、面刻蝕加工技術(shù)、面刻蝕加工技術(shù)l 在硅基片上淀積磷玻璃犧牲層材料；l 腐蝕犧牲層形成所需形狀；l 淀積和腐蝕結(jié)構(gòu)材料薄膜層；l 除去犧牲層就得到分離空腔微橋結(jié)構(gòu)。制作雙固定多晶硅橋工藝面刻蝕主要優(yōu)點：具

5、有與常規(guī)集成電路的兼容性，器件不僅可以做的很小，而且不影響器件特征； 主要缺點：該工藝本身屬于二維平面工藝，限制了設計的靈活性，且由于采用犧牲層工藝，漂洗和干燥需要反復多次，且易產(chǎn)生粘連現(xiàn)象，降低成品率。5、LIGA技術(shù)LIGA是德文Lithographie，Galanoformung和Abformung三個詞，即光刻、電鑄和注塑的縮寫。LIGA工藝是一種基于X射線光刻技術(shù)的MEMS加工技術(shù)，主要包括X光深度同步輻射光刻，電鑄制模和注模復制三個工藝步驟。由于X射線有非常高的平行度、極強的輻射強度、連續(xù)的光譜，使LIGA技術(shù)能夠制造出高寬比達到500、厚度大于1500m、結(jié)構(gòu)側(cè)壁光滑且平行度偏差

6、在亞微米范圍內(nèi)的三維立體結(jié)構(gòu)。這是其它微制造技術(shù)所無法實現(xiàn)的。LIGA技術(shù)被視為微納米制造技術(shù)中最有生命力最有前途的加工技術(shù)。利用LIGA技術(shù)，不僅可制造微納尺度結(jié)構(gòu)，而且還能加工尺度為毫米級的MEMS結(jié)構(gòu)。LIGA工藝過程l 在光致抗蝕劑上生成曝光圖形實體；l 用曝光蝕刻的圖形實體作電鑄用胎膜，在胎膜上沉積金屬形成金屬微結(jié)構(gòu)件；l 用金屬微結(jié)構(gòu)件作為注塑模具注塑出所需的微型零件LIGALIGA技術(shù)生產(chǎn)實體技術(shù)生產(chǎn)實體6.封接技術(shù)l目的：將微機械件連接在一起，使其滿足使用要求。l方法：反應封接、淀積密封膜和鍵合技術(shù)。l反應封接：是將多晶硅結(jié)構(gòu)與硅基片通過氧化反應封接在一起。l淀積密封膜：是用化

7、學氣相淀積法在構(gòu)件和襯底之間淀積密封膜。l硅-硅直接鍵合：在高溫下依靠硅原子力量直接鍵合在一起形成一個整體；l靜電鍵合：將硅和玻璃之間加上電壓產(chǎn)生靜電引力而使兩者結(jié)合成一體7 7、分子裝配技術(shù)、分子裝配技術(shù)l掃描隧道顯微鏡STM（Scanning Tunneling Microscope）、原子力顯微鏡AFM(Atomic Force Microscope)具有0.01nm分辨率，是精度最高的表面形貌觀測儀。利用其探針尖端可以俘獲和操縱分子和原子，并可按照需要拼成一定的結(jié)構(gòu)，進行分子和原子的裝配制作微機械。l美國的IBM公司用STM操縱35個氙原子，在鎳板上拼出了“IBM”三個字母；l日本用原

8、子拼成了“Peace”一詞l中國科學院化學研究所用原子擺成中國地圖；3.2.3微細加技術(shù)發(fā)展與趨勢l隨著微機電系統(tǒng)領域?qū)ξ⑿椭萍枨罅康牟粩嘣鲩L和質(zhì)量要求的不斷提高，微型模具加工技術(shù)也在不斷發(fā)展和完善，以滿足微型制件的要求。 l傳統(tǒng)的微細加工方法加工三維微小模具型腔，雖然工藝簡單實用，而且不需要太大的投資，但其加工型腔尺寸太大，精度太低；電化學等特種加工工藝雖然相對復雜，但在難切削材料，復雜型面和低剛度材料的模具型腔加工中，具有不可替代的優(yōu)勢；以LIGA技術(shù)和UV-LIGA技術(shù)為代表的光加工技術(shù)，工藝最為復雜，但其加工精度最高，可達到的深寬比最大，模具型腔尺寸最小，是最具發(fā)展前途的微型模具加工

9、方法。 l為了適應微制品零件更多的要求，進一步研究工作除了在微機械切削加工方面不斷降低零件的加工尺寸，提高加工精度外，還應不斷開發(fā)新的特種加工技術(shù)和光加工技術(shù).納米加工技術(shù)l納米加工技術(shù)簡介l納米加工的關鍵技術(shù)l納米加工技術(shù)中的納米器件l納米加工技術(shù)的應用 什么是納米？l1(nm): 1毫米(mm)的百萬分之一，頭發(fā)的直徑的萬分之一。l蛋白質(zhì)、DNA、RNA、病毒，都在1100nm的范圍l光合作用在“納米車間” 進行l(wèi)細胞中的一些結(jié)構(gòu)單元都是執(zhí)行某種功能的“納米機械”，細胞像一個“納米工廠”l蓮花荷葉出污泥而不染:“荷葉效應”納米技工技術(shù)簡介什么是納米加工？l納米級精度的加工和納米級表層的加工

10、，即原子和分子的去除、搬遷和重組。是納米技術(shù)主要內(nèi)容之一。l精度為3O3 m，粗糙度為O3O03m的叫精密加工； l精度為03003 m，粗糙度為0030005 m的叫超精密加工，或亞微米加工； l精度為003 m（30納米），粗糙度優(yōu)于0005 m以上的則稱為納米（nm）加工。l納米加工的實質(zhì)就是要切斷原子間的結(jié)合，實現(xiàn)原子或分子的去除，切斷原子間結(jié)合所需要的能量，必然要求超過該物質(zhì)的原子間結(jié)合能。 按加工方式，納米級加工可分為切削加工、磨料加工（分固結(jié)磨料和游離磨料）、特種加工和復合加工四類。納米級加工還可分為傳統(tǒng)加工、非傳統(tǒng)加工和復合加工。傳統(tǒng)加工是指刀具切削加工、固有磨料和游離磨料加工

11、；非傳統(tǒng)加工是指利用各種能量對材料進行加工和處理；復合加工是采用多種加工方法的復合作用。納米級加工技術(shù)也可以分為機械加工、化學腐蝕、能量束加工、復合加工、隧道掃描顯微技術(shù)加工等多種方法。機械加工方法有單晶金剛石刀具的超精密切削，金剛石砂輪和CBN砂輪的超精密磨削和鏡面磨削、磨、砂帶拋光等固定磨料工具的加工，研磨、拋光等自由磨料的加工等，能束加工可以對被加工對象進行去除，添加和表面改性等工藝，例如，用激光進行切割、鉆孔和表面硬化改性處理。用電子束進行光刻、焊接、微米級和納米級鉆孔、切削加工，離子和等離子體刻蝕等。屬于能量束的加工方法還包括電火花加工、電化學加工、電解射流加工、分子束外延等。STM

12、加工是最新技術(shù)，可以進行原子級操作和原子去除、增添和搬遷等。1.檢測技術(shù)：l常規(guī)的機電測量儀在納米級檢測中，一方面受到分辨率和測量精度的局限，達不到預期精度；另一方面還會損傷元件表面。該技術(shù)有兩個發(fā)展方向：光干涉測量技術(shù)和掃描顯微測量技術(shù)。l這里主要介紹掃描顯微測量技術(shù)，如掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、磁力顯微鏡、激光力顯微鏡等等。納米加工的關鍵技術(shù)納米加工的關鍵技術(shù)2.環(huán)境控制l掃描探針顯微鏡原理上講比較簡單，但是實際上要實現(xiàn)并不容易，需要解決一些關鍵技術(shù)：l振動：一般地面震動是微米量級的，可是要產(chǎn)生穩(wěn)定隧道電流，間距必須小于1nm，必須嚴格控制振動。l噪聲：產(chǎn)生的電流時納安級別的，因此必須

13、隔絕電子噪聲。l針尖：如果針尖很鈍，就不可能探測到單個原子，達不到原子分辨率，所以針尖必須很尖。l樣品：樣品必須為導體或者半導體，對于不導電的樣品，也要在表面覆蓋一層導電膜，對該導電膜也有很高的要求。l另外還需要恒溫、恒濕、超凈環(huán)境來進行納米加工。納米加工的關鍵技術(shù)3.機床以及工具納米加工對機床的要求有：高精度，要求機床有高精度進給系統(tǒng)，實現(xiàn)無爬行的納米級進給；有回轉(zhuǎn)運動時，需要保證有納米級回轉(zhuǎn)精度。高剛度，要求機床有足夠高的剛度，保證工件和工具之間相對位置不受外力作用而改變。高穩(wěn)定性，要求設備在使用過程中應能長時間保持高精度，抗干擾、抗振動、高耐磨性。納米加工的關鍵技術(shù)納米算盤p可虛假使用掃

14、描隧道顯微鏡，對C60分子進行操縱，從而使得C60在其臺階上只能一個方向運動，從而得到類似中國古代算盤一樣的器件，稱之為納米算盤。納米加工與器件納米電子器件p以納米技術(shù)制造的電子器件，其性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)的電子器件：工作速度快，納米電子器件的工作速度是硅器件的1000倍，因而可使產(chǎn)品性能大幅度提高。功耗低，納米電子器件的功耗僅為硅器件的1/1000。信息存儲量大，在一張不足巴掌大的5英寸光盤上，至少可以存儲30個北京圖書館的全部藏書。體積小、重量輕，可使各類電子產(chǎn)品體積和重量大為減小。納米加工與器件碳納米管l1991年日本NEC（日本電氣）公司意外發(fā)現(xiàn)了由管狀的同軸納米管組成的碳分子,這就是碳納

15、米管。碳納米管具有獨特的拓撲結(jié)構(gòu)，良好的導電性能，極高的機械強度等優(yōu)異的光學、電學和機械性能，應用前景十分廣泛。納米加工與器件半導體集成電路 我們從CPU制造技術(shù)的發(fā)展可以看出納米加工技術(shù)的進步。從早期的幾微米，發(fā)展到幾百納米，再到最近剛上市的i系列cpu達到22納米，一個指頭尖大小的芯片就有幾億甚至十幾億個晶體管。 簡單地說，處理器的制造過程可以大致分為沙子原料(石英)、硅錠、晶圓、光刻(平版印刷)、蝕刻、離子注入、金屬沉積、金屬層、互連、晶圓測試與切割、核心封裝等。納米加工技術(shù)的應用納米加工技術(shù)的應用納米級微機械納米加工技術(shù)的應用納米存儲技術(shù)近期美國科學家已經(jīng)找到了一種可以大幅提高現(xiàn)有存儲密度近期美國科學家已經(jīng)找到了一種可以大幅提高現(xiàn)有存儲密度和存儲壽命的技術(shù)。他們通過納米機械組裝出了極為牢固可和存儲壽命的技術(shù)。他們通過納米機械組裝出了極為牢固可靠的納米存儲元件，輕松實現(xiàn)了每平方英