微細(xì)加工技術(shù)論文

1、微細(xì)加工技術(shù)1.微細(xì)加工技術(shù)現(xiàn)狀1990年微細(xì)加工技術(shù)的生產(chǎn)水平是100m到0·8m。到1994年,16M DRAM 64M DRAM已生產(chǎn),254M DRAM也將投入生產(chǎn)。1664M DRAM用0·3m 0·4m的微細(xì)加工技術(shù)。256MDRAM用0·25m的加工技術(shù)。目前,實驗室已做出1000M DRAM的產(chǎn)品。也就是說,0·1m0·08m的微細(xì)加工技術(shù),不久也將投入生產(chǎn)。當(dāng)前微細(xì)加工技術(shù)的動向是:一方面將生產(chǎn)1664M DRAM的設(shè)備,進(jìn)行改進(jìn),以提高生產(chǎn)率,另一方面是開發(fā)新工藝、新設(shè)備。微細(xì)加工技術(shù)的關(guān)鍵是曝光技術(shù)和干蝕技術(shù)。我

2、們將以這兩方面為重點,介紹微細(xì)加工技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)。11664M DRAM生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)當(dāng)前生產(chǎn)16M DRAM的設(shè)備,一般都能生產(chǎn)64M DRAM。它們主要用縮小投影曝光裝置,典型的有NSR2005i10c,Ex10B,NSR4425i。其主要參數(shù),如表1所示。縮小投影曝光裝置的特點上述三種裝置,都能生產(chǎn)14-64M DRAM器件,其中NSR-4425i能生產(chǎn)256M DRAM器件,光刻水平達(dá)到0·25m。表1主要參數(shù)這三種設(shè)備,校正系統(tǒng)都經(jīng)過改進(jìn),穩(wěn)定性大大提高。同時,對干涉反射鏡曲線,進(jìn)行補(bǔ)正。干涉光路進(jìn)行空調(diào),使精度大大提高。另外,對放大倍率也進(jìn)行補(bǔ)償和修正。使誤差控制在

3、10 nm以下。使用準(zhǔn)分子激光器,使曝光功率下降,曝光成本下降。NSR-4425i,是一種成本較低而性能優(yōu)良的設(shè)備,由于它采用了混合和匹配平臺,能生產(chǎn)16M、64M、256M DRAM器件。場尺寸達(dá)44 mm×44mm,主流場為22 mm×44 mm,生產(chǎn)256M DRAM器件,月產(chǎn)達(dá)2萬只。1.1印刷式曝光機(jī)1.1.1概要它是一種等倍率曝光機(jī),采用混合和匹配平臺,具有“印刷”功能,故而又稱它為超技術(shù)步進(jìn)機(jī)。其突出優(yōu)點是生產(chǎn)性高而成本低。該類機(jī)中的優(yōu)秀者是224i型。它使用i線作曝光光線,大口徑光學(xué)系統(tǒng),超高精度的平臺,曝光光的波長為355375nm。每小時能生產(chǎn)200 m

4、m片80枚。150 mm片105枚,主要參數(shù)如表2所示。表2Model 2244i參數(shù)1.1.2結(jié)構(gòu)和特征該裝置的最大特征是采用高性能的1×HerShel-Wynne-Dyson光學(xué)系數(shù)。它采用兩個消色透鏡兩個棱鏡一個主透鏡,構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng),曝光場較大,故而生產(chǎn)率較高。曝光時,片上得到的能量較大,故而曝光時間短,由于它采用混合式和匹配式的平板印刷方法,使生產(chǎn)線成本低而產(chǎn)量高。1.2電子束直接掃描系統(tǒng)電子束直接掃描系統(tǒng),也叫無掩膜曝光系統(tǒng)。以前就有這種系統(tǒng),但其產(chǎn)量低,未能推廣,本文介紹的HL-800D電子束直接掃描系統(tǒng)可生產(chǎn)64MDRAM器件,并且產(chǎn)量也較高,成本較低。1.2.1電子束

5、直接掃描系統(tǒng)的優(yōu)點電子束直接掃描系統(tǒng)的優(yōu)點,如表3所示,從表3.看出,它有很多優(yōu)點,主要是成本低,開發(fā)期短,適應(yīng)性強(qiáng)特別適合科研單位和小批量生產(chǎn)用。表3電子束直接掃描系統(tǒng)的優(yōu)點若是每日生產(chǎn)250枚片以下,用電子束直接掃描系統(tǒng),生產(chǎn)成本較低,它比用掩膜曝光,成本低得多。電子束直接掃描系統(tǒng),雖然其電子束偏轉(zhuǎn)范圍有限(3 mm5 mm),但其掃描面積可以“拼”。這樣,掃描面積就不受限制。該設(shè)備,也可生產(chǎn)256MDRAM器件。HL800D概況日立公司開發(fā)的HE800D系統(tǒng),其加工水平達(dá)0·2m0·3m,1·50 mm,生產(chǎn)能力達(dá)1020(枚/h),表4是它的主要參數(shù)表表4

6、HL800D系列基本參數(shù)一次成型掃描法,是通過轉(zhuǎn)寫掩膜形成的,如圖1所示,通過轉(zhuǎn)寫掩膜可一次形成較為復(fù)雜的圖形或使掃描線更精度。圖1一次成型和可變成型掃描圖通過使用補(bǔ)償法并運用轉(zhuǎn)寫掩膜,或可以提高掃描速度,或可以提高掃描線的精細(xì)程度,但其代價是失去了無掩膜的優(yōu)點(有轉(zhuǎn)寫膜)。用轉(zhuǎn)寫掩膜,該裝置可達(dá)到0·05m的直線尺寸,精度可達(dá)到0·15m,甚至有人說,這類設(shè)備將來可生產(chǎn)1GDRAM器件。1.3干蝕技術(shù)在微細(xì)加工中,尤其是達(dá)到0·25m水平的精細(xì)加工中,干蝕技術(shù)就顯得很重要,現(xiàn)在微細(xì)加工對干蝕的要求如下:a)片面積大,均勻性要好;b)無機(jī)械損傷;c)有高的選擇比;

7、d)高的縱深比;e)離子控制性要好;f)處理速度快。要達(dá)到上述六項要求,用以前的腐蝕方法是不行的,新開發(fā)的ECR*,能很好的滿足上述要求。ECR的特點:等離子密度大,電子動能大,干蝕質(zhì)量高,速度快。搭載有ECR的干蝕裝置APEX7000/PINADE8000具有極好的干蝕性能:1)對氧化膜的干蝕,選擇比達(dá)到50100而且尺寸誤差極小。2)對鋁(Al)加工:選擇比達(dá)到3以上,并能完全防止腐蝕。以上設(shè)備腐蝕的結(jié)果,如圖2所示。從圖2看出:這種裝置的干蝕效果,是極好的。圖2APEX7000/PINADE8000機(jī)干蝕效果TiN/Al-Si-Cu/TiN/Ti的蝕刻實例(蝕刻速度:0·755

8、nm/min,均一性±3·8%,選擇比相對P·R3·9)電子束激勵的等離子發(fā)生裝置,是另一種較好的干蝕裝置。它是電子和電場作用,來產(chǎn)生高密度的等離子裝置,其特點是:1)電子能量分布,加速均可控制;2)采用差動排氣方式,氧、氯等還原氣體從側(cè)面導(dǎo)入,故而陰極壽命長。3)能產(chǎn)生高密度的等離子。這種裝置的原理圖,如圖3所示。圖中的反磁場線圈,生產(chǎn)尖峰磁場。在片子附近,產(chǎn)生磁場擴(kuò)散區(qū)。由等離子室射入的電子束,沿磁力線迅速擴(kuò)散,形成均勻的等離子區(qū)(可形成200 mm以上的等離子注)。等離子室中間的永磁體,使電子分散,多極磁場,使電子和離子復(fù)合率降低。圖3電子束激勵等

9、離子發(fā)生裝置原理圖該裝置的干蝕性能較好,均勻性高,腐蝕速度快。它對光刻膠的腐蝕,選擇比大于40。對氧化膜的選擇比大于150。對GaAs的腐蝕速度快,均勻性也好,選擇比高,并有保角性。另外,最近還出現(xiàn)了多通道干蝕裝置。這類裝置是一種投資少、效益高的干蝕裝置。這類裝置,也是干蝕裝置發(fā)展的一個重要方面。2.微細(xì)加工技術(shù)發(fā)展研究微細(xì)加工技術(shù)是集成電路(lC)工業(yè)的基礎(chǔ)，是半導(dǎo)體器件研究的必要手段。其中的lC以動態(tài)隨機(jī)存儲器(ORAM)為代表，具有肉眼無法看見的記憶功能結(jié)構(gòu)，而半導(dǎo)體器件以小尺寸器件為主。為了制備大規(guī)模集成電路(VL引)、超大規(guī)模集成電路(ULSI)和量子器件，微細(xì)加工技術(shù)正由微米、亞微

10、米、亞半微米一直向納米級和量子化方向發(fā)展。除了lC技術(shù)外，液晶顯示器(LCO)技術(shù)、微機(jī)械技術(shù)和光電子技術(shù)的發(fā)展同樣離不開微細(xì)加工技術(shù)水平的提高。人們越來越感到以微細(xì)加工技術(shù)為支柱的微電子技術(shù)正在成為一個國家綜合國力的重要體現(xiàn)，成為國際競爭的焦點。因此許多發(fā)達(dá)國家目前都加大了在微細(xì)加工技術(shù)研究方面的投資強(qiáng)度，以期取得微細(xì)加工技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。微細(xì)加工技術(shù)包括曝光技術(shù)(即光刻技術(shù))、刻蝕技術(shù)、淺結(jié)摻雜技術(shù)、超薄膜形成技術(shù)等。其中的曝光技術(shù)是微細(xì)加工技術(shù)的核心。2.1國外微細(xì)加工技術(shù)在Ic方面的成就國外微細(xì)加工技術(shù)在IC工業(yè)方面取得了很大的成就。表1是ORAM發(fā)展所要求達(dá)到的光刻技術(shù)水平和近年來

11、ORAM的發(fā)展趨勢。需要特別提到的是，1991年，日本日立公司研制成功64MORAM，其加工線寬為0.3微米，芯片面積為平方毫米，集成度為1.21火1護(hù)個元器件;1992年，日本富士通公司推出256MORAM，加工線寬為0.2微米，芯片面積為16火25平方毫米，集成度為5.6x1了個元器件。由表5不難看到，國外在微細(xì)加工技術(shù)研究方面取得的進(jìn)展是很快的，以致于每隔幾年就能推出一代產(chǎn)品。以下是生產(chǎn)256MORAM所需達(dá)到的微細(xì)加工技術(shù)水平:光刻0.25微米(套刻精度士0.08微米，線寬控制0.04微米)，無機(jī)且能真空處理的全干刻蝕劑技術(shù)，0.1微米以下淺結(jié)技術(shù)，低溫工藝仁平坦化，全干法加工、刻蝕、

12、清洗，CVO鋁和銅金屬化，全自動化。表52.2國外微細(xì)加工技術(shù)在半導(dǎo)體器件研究方面的成就國外微細(xì)加工技術(shù)在半導(dǎo)體器件研究方面也取得了很大的成就。1993年，日本東芝公司的研究開發(fā)中心研制成功門長度僅為0.04微米的n溝道MOSFE丁，并且可在室溫下工作。德儀(TI)公司在工993年也研制成功晶體管特征尺寸為0.02微米的集成電路，在該特征尺寸下，電子已經(jīng)停止了粒子活動，開始轉(zhuǎn)化為類似波的活動。目煎國外研制的日EM下器件的最小柵長僅為25納米。另外，國外也利用高水平的微細(xì)加工技術(shù)制作出了與電子相干長度相當(dāng)?shù)募{米結(jié)構(gòu)(包括量子線、量子點陣、量子點接觸等)，并對其物理過程進(jìn)行了廣泛的研究，提出了電子

13、波器件的可能性。美國物理評論雜志指出，以量子效應(yīng)為基礎(chǔ)的電子波器件有可能成為ULsl技術(shù)的基礎(chǔ)，并將導(dǎo)致未來電子學(xué)發(fā)展的一場新革命。國外在lC工業(yè)和半導(dǎo)體器件研究方面所取得的成就無一不得益于微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展?？梢哉f，國外的微細(xì)加工技術(shù)正在朝著物理加工極限發(fā)展。3.光刻技術(shù)的發(fā)展光刻技術(shù)是微細(xì)加工技術(shù)的核心。考核光刻技術(shù)的質(zhì)量指標(biāo)主要有分辨率、焦深、生產(chǎn)效率等。對于未來可能應(yīng)用于IC工業(yè)的光刻技術(shù)，目前爭論較多的是光學(xué)光刻和X射線光刻。根據(jù)瑞利公式，投影光學(xué)系統(tǒng)的分辨率R-kl入/NO，其中入為曝光波長，NO為鏡頭的數(shù)值孔徑，k，為條件系數(shù)。不難看出，提高光刻分辨率的途徑有三:一是增大N。，二

14、是縮小入，三是提高k;。80年代中期，人們曾把增大閃。作為提高分辨率的主要途徑，但為了滿足芯片面積日益增大的要求和提高生產(chǎn)效率，必須在增大NO的同時又加大視場面積和降低畸變，這就使光學(xué)設(shè)計越來越難。于是人們開始轉(zhuǎn)向縮小曝光的波長，但是根據(jù)焦深公式:00一kZ入/N02，增大NO和縮小入又不可避免地導(dǎo)致焦深的急劇減小。這似乎表明，光學(xué)光刻快要走到了盡頭。然而，馬克·賴文森于1982年提出了移相曝光技術(shù)，也就是通過改變輻射光相位的方法使曝光圖形的分辨率和焦深得以提高。它包括移相掩模曝光技術(shù)、片子移相曝光技術(shù)、改進(jìn)照明光源的移相照明技術(shù)等。光學(xué)光刻有了一種“柳暗花明又一村”的感覺。目前tC

15、工業(yè)生產(chǎn)中的16MORAM采用的是i線以一365納米)紫外曝光，舊M和日立公司目前正在考慮采用i線結(jié)合移相曝光技術(shù)或者激光曝光技術(shù)(入=248納米)來生產(chǎn)64MDRAM，1992年日立公司推出的256MORAM所采用的光刻技術(shù)也是光學(xué)曝光技術(shù)。最近，日本科學(xué)家宣稱，采用移相曝光技術(shù)可以使加工線寬達(dá)到0.15微米。但是必須看到，所謂的移相曝光技術(shù)其實已經(jīng)超出了普通光學(xué)曝光的范疇，其掩模的制作難度很大，制作成本也很高。而且，要生產(chǎn)IGORAM(特征尺寸0.18微米)及IG以后的ORAM時，光學(xué)光刻很難有所作為。這時，人們認(rèn)為X射線光刻會顯示出其巨大的優(yōu)越性。X射線光刻最初是舊M公司的史密斯(日.1

16、.Smith)于1972年提出的，后來許多國家都投人巨資進(jìn)行研究。毫無疑問，同步輻射X線光源是最好的X射線光源，它具有光強(qiáng)強(qiáng)度高(達(dá)到100mw/cmZ以上，比普通的X光管高兩個量級)、準(zhǔn)直性好、光強(qiáng)均勻等優(yōu)點，所以目前研究最多的是同步輻射X線光刻。同步輻射X線光刻具有分辨率高(最近法國微結(jié)構(gòu)國家實驗室CNRS已用同步輻射x線光刻技術(shù)曝出線寬為5o納米，間隔為100納米的周期性重復(fù)圖形)、工藝寬容度大、生產(chǎn)效率高、單片芯片的生產(chǎn)成本低(相對于光學(xué)光刻)等優(yōu)點。它包括同步輻射X線光源、掩模、光刻膠、對準(zhǔn)裝置四大部分。其中的掩模制作是同步輻射X線光刻的關(guān)鍵，目前各國都普遍采用電子束光刻的辦法制作母

17、掩模的圖形，然后用X線曝光的方法拷貝母掩模，可以大大地降低掩模的制作成本。X射線光刻自從問世以來進(jìn)展一直比較緩慢(相對于光學(xué)光刻而言)，但是1988年以后國外關(guān)于這方面的報道陡然增多，表明X射線光刻技術(shù)已取得較大的突破。以下是近幾年來國外采用X射線光刻技術(shù)在儲存器研制方面取得的進(jìn)展:199。年，IMDRAM(特征尺寸1微米)和64KSRAM研制成功;1992年5月，256KSRAM(特征尺寸0.5微米)研制成功;1992年9月，siZKSRAM(特征尺寸0.35微米)研制成功;1993年2月，512KSRAM(特征尺寸0.25微米)研制成功。另外，同步輻射x射線光刻應(yīng)用于微機(jī)械制造(即LIGA

18、技術(shù))、量子線的制作等方面的研究工作近年來也取得了較大的進(jìn)展。同步輻射X射線光刻應(yīng)用于IC工業(yè)的最大障礙是同步輻射裝置的成本很高和掩模制作技術(shù)的困難。同步輻射X射線光刻研究人員目前正在建造小型專用光刻儲存環(huán)和爭取掩模制作技術(shù)的突破。但是，關(guān)于同步輻射X線光刻技術(shù)是否能最終應(yīng)用于lC工業(yè)生產(chǎn)的問題，迄今仍爭論不休。不過，目前普遍認(rèn)為，2000年以前IC工業(yè)生產(chǎn)采用的光刻技術(shù)仍然是光學(xué)光刻技術(shù)，只有當(dāng)ORAM發(fā)展到IG以上時，x射線光刻技術(shù)才會逐步顯示出其生命力。但是，毫無疑問，放棄對X射線光刻技術(shù)的研究是一種短淺、愚蠢的行為(X射線光刻中的許多技術(shù)，如掩模檢測與修復(fù)技術(shù)、對準(zhǔn)技術(shù)、高質(zhì)量的電子束

19、技術(shù)等，均可直接應(yīng)用于光學(xué)光刻)。正因為如此，國外許多大公司和研究單位，如美國的舊M公司、摩托羅拉公司、貝爾實驗室、電報電話公司，日本的N一，尸卜otonfaetor丫，法國的CNRS等都正在進(jìn)行這方面的研究工作，以期能在將來的光刻技術(shù)中取得領(lǐng)先地位。可以預(yù)言，X射線光刻技術(shù)和光學(xué)光刻技術(shù)的競爭不僅是技術(shù)上的競爭，也是經(jīng)濟(jì)力量上的競爭。4.我國的微細(xì)加工技術(shù)水平我國自從1985年研制出第一塊IC芯片以來，微細(xì)加工技術(shù)取得了較大的進(jìn)步。在ORAM研制方面，1986年研制成功64KDRAM，1990年研制出iM漢字ROM，其加工線寬為1.5微米，集成度為1.06Xl護(hù)個元器件。1986年我國開始批

20、量生產(chǎn)5微米技術(shù)產(chǎn)品，1994年開始批量生產(chǎn)3微米技術(shù)產(chǎn)品。“八五”科技攻關(guān)項目安排了0.8微米技術(shù)，“攀登”計劃安排了0.5微米基礎(chǔ)技術(shù)研究。預(yù)計這些安排將會使我國在未來的IC工業(yè)競爭中取得一些主動權(quán)。但是必須清楚地看到，我國的微細(xì)加工水平與國外確實存在著較大的差距。在同步輻射X線光刻研究方面，我國已建立了BSRF和NSRL兩個同步輻射X射線光刻站。1990年6月，成功地進(jìn)行了首次同步輻射X射線光刻實驗。1993年11月，同步輻射深光刻技術(shù)(即UGA技術(shù))取得了較大進(jìn)展。4.1對微細(xì)加工的認(rèn)識鑒于微細(xì)加工技術(shù)是IC工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，微細(xì)加工技術(shù)的突破將會帶來一場新的技術(shù)革命。我們認(rèn)為:1.必須

21、提高對微細(xì)加工技術(shù)研究重要性的認(rèn)識，制訂好提高我國微細(xì)加工技術(shù)水平的戰(zhàn)略規(guī)劃，對有全局作用的微細(xì)加工關(guān)鍵技術(shù)要有重點突破。2.加快提高我國微細(xì)加工設(shè)備的研制水平。一代設(shè)備推出一代技術(shù)，一代技術(shù)推出一代產(chǎn)品，微細(xì)加工設(shè)備已成為制約微細(xì)加工技術(shù)發(fā)展水平的重要因素。因此，研制出高精度、高度自動化的微細(xì)加工設(shè)備已成為擺在我們面前的緊要任務(wù)。3.加強(qiáng)基礎(chǔ)技術(shù)研究。幾十年來我們在半導(dǎo)體器件研制和IC工業(yè)發(fā)展中一直處于較為被動的局面，一個主要的原因就是對于帶有基礎(chǔ)性的、全局性的基礎(chǔ)技術(shù)研究缺乏足夠的重視。對于電子束光刻技術(shù)、同步輻射X線光刻技術(shù)、反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)、電子束摻雜技術(shù)以及小尺寸器件的制作技術(shù)等都重

22、視不夠。4.統(tǒng)盤全局，克服現(xiàn)在在微細(xì)加工技術(shù)研究方面技術(shù)力量比較分散的缺點，象抓系統(tǒng)工程那樣抓微細(xì)加工技術(shù)研究，利用各研究單位的技術(shù)優(yōu)勢，聯(lián)合攻關(guān)。5.加快微細(xì)加工技術(shù)人才的培養(yǎng)。技術(shù)競爭的結(jié)果最終必然是人才的競爭，因此必須注重對微細(xì)加工技術(shù)研究人才的培養(yǎng)。微細(xì)加工技術(shù)的原理和應(yīng)用研究20 世紀(jì)80 年代以來, 微機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS) 這一門新興交叉學(xué)科開始興起, 微細(xì)加工技術(shù)作為獲得微機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)的必要手段得到了快速的發(fā)展。微細(xì)加工技術(shù)起源于平面硅工藝, 但隨著半導(dǎo)體器件、集成電路、微型機(jī)械等技術(shù)的發(fā)展與需求, 微細(xì)加工技術(shù)已經(jīng)成為一門多學(xué)科交叉的制造系統(tǒng)工程和綜合高新技術(shù), 廣

23、泛應(yīng)用于醫(yī)療、生物工程、信息、航空航天、半導(dǎo)體工業(yè)、軍事、汽車等領(lǐng)域, 給國民經(jīng)濟(jì)、人民生活和國防、軍事等帶來了深遠(yuǎn)的影響, 被列為21 世紀(jì)關(guān)鍵的技術(shù)之一。微細(xì)加工技術(shù)是由瑞士公司發(fā)明的一種新型加工工藝, 在2004 年法國巴黎舉辦的國際表面處理展覽會( SITS) 和2004 年在法國里昂舉辦的ALLIANCE 展覽會上榮獲2 項發(fā)明獎。微細(xì)加工工藝和設(shè)備擁有國際專利保護(hù)。 微細(xì)加工的技術(shù)原理與分類微細(xì)加工技術(shù)結(jié)合了超精增亮和超精拋光兩項革新技術(shù), 能夠有選擇性地保留表面的微觀結(jié)構(gòu), 以提高表面的摩擦和滑動性能( 表面技術(shù)) , 以機(jī)械化和自動化取代傳統(tǒng)的手工拋光, 提高表面的美學(xué)功能。這

24、種微細(xì)加工技術(shù)應(yīng)用于切削刀具、沖壓和鍛造工具, 航空、汽車、醫(yī)療器械、塑料注射模具等機(jī)械零件的表面處理,能夠極大地改善零件表面的性能。微細(xì)加工技術(shù)采用全自動方式對金屬零件表面進(jìn)行超精加工, 通過一種機(jī)械化學(xué)作用來清除金屬零件表面上140m 的材料, 實現(xiàn)被加工表面粗糙度達(dá)到或者好于ISO 標(biāo)準(zhǔn)的N1 級的表面質(zhì)量。微細(xì)加工技術(shù)主要應(yīng)用于超精拋光和超精增亮這兩個領(lǐng)域。超精拋光使傳統(tǒng)的手工拋光工藝自動化; 而超精增亮則生成新的表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。微細(xì)加工技術(shù)的一個突出優(yōu)點是能夠賦予零件表面新的微觀結(jié)構(gòu)。這些微觀結(jié)構(gòu)能提高零件表面對特定應(yīng)用功能的適應(yīng)性。如減小摩擦和機(jī)械差異、提高抗磨損性能、改善涂鍍前后表

25、面的沉積性能等。總的說來, 超精增亮可去除次級微觀粗糙表面, 次級粗糙表面的厚度在020m 之間, 位于零件表面初級微觀粗糙面的峰尖之間。而超精拋光則部分或整體去除初級微觀粗糙表面, 其值在1040m 之間, 當(dāng)然這取決于零件材料表面的初始狀態(tài)。微細(xì)加工與常規(guī)尺寸加工的激勵特點區(qū)別主要體現(xiàn)在:（1）加工精度的表示方法不同一般尺度加工精度常用相對精度表示, 微細(xì)加工精度用尺寸的絕對值來表示, 并引入了加工單位的概念。（2）加工機(jī)理存在很大的差異由于微細(xì)加工中加工單位的極小化而產(chǎn)生了微動力學(xué)、微流體力學(xué)、微熱力學(xué)等方面的微觀機(jī)理, 常規(guī)的加工方法及理論已不適用。（3） 加工特征明顯不同在機(jī)電產(chǎn)品中

26、, 一般常規(guī)加工都是以尺寸、形狀、位置精度為特征, 而微細(xì)加工多以分離或結(jié)核原子、分子為特征。目前, 國際上微細(xì)加工技術(shù)的研究與發(fā)展, 主要形成了以美國為代表的硅基MEMS 技術(shù), 以德國為代表的LICA 技術(shù)和以日本為代表的傳統(tǒng)加工方法的微細(xì)化等主要流派, 他們的研究與應(yīng)用情況代表了國際微細(xì)加工的水平和發(fā)展方向。由于微機(jī)械和微細(xì)加工零件尺寸或加工尺度的微小化, 許多宏觀狀態(tài)下的物理量和機(jī)械量在加工過程中都將發(fā)生很大的變化, 并在微觀狀態(tài)下呈現(xiàn)出特有的規(guī)律, 因而涉及到了與常規(guī)理論不同的微機(jī)械學(xué)、微電子學(xué)、微光學(xué)和分子裝配技術(shù)等多種理論學(xué)說。在各種微觀理論學(xué)說的基礎(chǔ)上, 發(fā)展起了各種各樣的現(xiàn)代

27、技術(shù)。依據(jù)微細(xì)加工中加工機(jī)理的不同, 可以將微細(xì)加工技術(shù)分為以下四類:( 1) 分離加工將材料的某一部分分離出去的加工方式, 如切削、分解、刻蝕、蒸發(fā)、濺射、破碎等。( 2) 結(jié)合加工同種和不同種材料的附加或相互結(jié)合的加工方式, 如蒸餾、沉淀、生長、滲入、黏結(jié)等。( 3) 變形加工使材料形狀發(fā)生改變的加工方式,如塑性變形加工、流體變形加工等。( 4) 材料處理或改性。5.微細(xì)加工技術(shù)的應(yīng)用分析微細(xì)加工技術(shù)迄今能夠加工的材料有退火及淬火鋼、銅及銅合金、鑄鐵、鎳合金( 鎳基合金) 、鈦金屬、表面硬涂層處理前后的預(yù)處理( PVD、CVD、電鍍) 。微細(xì)加工技術(shù)是一種有選擇性地精修被加工對象表面微觀粗

28、糙度和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性微觀加工工藝。這種機(jī)械化學(xué)加工工藝是一種全自動化的加工工藝,適用于汽車制造、電子、化工、冶金、機(jī)械制造、航空制造等行業(yè), 尤其是注塑模具、刀具和機(jī)床工具、高精密零件、光學(xué)器件, 以及硬涂層處理前后的表面預(yù)處理加工。微細(xì)加工技術(shù)通過改變材料表面的微細(xì)結(jié)構(gòu), 能夠減小摩擦、提高抗磨損性能, 顯著地提高材料的表面性能, 在刀具行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。如采用超精增亮技術(shù), 徹底消除次級微觀粗糙表面, 減小摩擦,能夠提高刀具的排屑性能, 降低切削力; 而保持初級粗糙表面, 有利于保護(hù)潤滑油膜, 提高刀具的排屑性能, 減少發(fā)熱; 如果在涂層處理前優(yōu)化預(yù)處理涂層基面, 或者在涂層之后徹

29、底清除涂層引起粗糙表面, 則能夠提高PVD 涂層的附著性能, 延長刀具的使用壽命, 消除刀具表面的積屑瘤問題。這種創(chuàng)新的加工工藝近幾年來在諸多工業(yè)領(lǐng)域的實際應(yīng)用清楚地表明,微細(xì)加工技術(shù)能夠大幅降低超精加工的成本; 極大地縮短生產(chǎn)周期; 方便地提高表面的質(zhì)量, 并且采用這種加工工藝加工出來的表面具有無以倫比的一致性和再現(xiàn)性。微機(jī)械技術(shù)綜合應(yīng)用了當(dāng)今世界科學(xué)技術(shù)的尖端成果, 目前微細(xì)加工技術(shù)已經(jīng)在特種新型器件、電子零件和電子裝置、機(jī)械零件和裝置、生物工程、表面分析、材料等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。6.在微電子器件制造中的應(yīng)用微細(xì)加工技術(shù)最典型的應(yīng)用是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的加工制造, 在其

30、制造過程中, 從制備晶片和掩膜開始, 經(jīng)歷多次氧化、光刻、刻蝕、外延、注入等復(fù)雜工序, 到劃片、引線焊接、封裝、檢測等一系列工作直到最后得到成品, 每道工序到要采用微細(xì)加工技術(shù),微細(xì)加工技術(shù)在這里得到了全面的應(yīng)用。在集成電路制造過程中, 微細(xì)加工技術(shù)主要有橫向微細(xì)加工技術(shù)和縱向微細(xì)加工技術(shù)兩種方式。6.1在微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)方面的應(yīng)用從1962 年第一個硅微型壓力傳感器問世到現(xiàn)在,采用微細(xì)加工技術(shù)研制加工的各種微型機(jī)械機(jī)電產(chǎn)品大量出現(xiàn)在各個科技領(lǐng)域。利用微細(xì)加工技術(shù), 可以將機(jī)載產(chǎn)品的硬件比例的幅度減小, 以滿足其體積小、重量輕的空間特殊要求。目前, 已有大量的微型機(jī)械或衛(wèi)星系統(tǒng)被研究出來,

31、如用于航空航天、汽車工業(yè)、醫(yī)療器械、軍事武器、機(jī)器人等領(lǐng)域的各種微型壓力傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、智能傳感器等。雖然, 微機(jī)械和微細(xì)加工技術(shù)得到了快速發(fā)展, 但是由于各種微觀理論學(xué)說尚處在探索研究階段, 完整的微觀尺度下的理論體系尚未完全建立, 微機(jī)械與微細(xì)加工技術(shù)的研究主要還是來自經(jīng)驗和反復(fù)研究試探, 這對微細(xì)加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展造成了較大影響。未來微機(jī)械和微細(xì)加工技術(shù)的研究仍然要立足于微觀理論基礎(chǔ)的研究和微細(xì)加工技術(shù)的探討開發(fā)上, 推動微細(xì)加工技術(shù)向更高的層次發(fā)展。7.微機(jī)電系統(tǒng)的微細(xì)加工技術(shù)以集成電路為代表的、建立在硅平面工藝基礎(chǔ)上的微電子技術(shù)的巨大成功引發(fā)了一場微小型化科技革命

32、。如今起源于20世紀(jì)80年代末期，建立在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上，把傳感器、處理器和驅(qū)動器等集成在一個芯片上的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS：micro electro mechanical systems)被視為微電子革命的繼續(xù)而日益受到各等發(fā)達(dá)國家政府和科學(xué)家的高度重視，已經(jīng)成為當(dāng)今國際高技術(shù)競爭的熱點。隨著微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，微型制造技術(shù)作為實現(xiàn)MEMS技術(shù)的關(guān)鍵也開始引起世界發(fā)達(dá)國家的材料科學(xué)工作者和工業(yè)界的極大關(guān)注。要想加工出精密的微機(jī)電器件，必須要具備相應(yīng)微細(xì)加工技術(shù)。微細(xì)加工技術(shù)是MEMS技術(shù)的核心技術(shù)，是MEMS技術(shù)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，也是MEMS技術(shù)研究中最活躍的領(lǐng)域，離開了先進(jìn)、可靠的微細(xì)加工技術(shù)，

33、MEMS的研發(fā)將受到極大的制約，更不能形成生產(chǎn)能力，MEMS器件和系統(tǒng)的研究也只能是空中樓閣。在MEMS的制作中， 由于涉及傳感和運動執(zhí)行部件，器件的形狀比數(shù)字集成電路復(fù)雜得多，而且涉及到帶有曲面、斜面及微尖形陣列等的三維微制作技術(shù)?，F(xiàn)在微電子技術(shù)和集成電路工藝已經(jīng)非常成熟，因此能產(chǎn)生含有曲面、斜坡、高密度微尖陣列器件和高深寬比等微結(jié)構(gòu)的三維加工工藝必將成為下一步MEMS領(lǐng)域的競爭熱點。迄今為止，開發(fā)成功的微機(jī)械加工技術(shù)主要有硅微機(jī)械加工技術(shù)(體硅加工工藝和表面硅加工工藝)、LIGA技術(shù)、微立體光刻(MSL：micro stereolithography) 技術(shù)IH(integrated ha

34、rden polymerstereo lithography 集成固化聚合物立體光刻)工藝、EFAB (electrochemical fabrication)技術(shù)、CELT (confined etchant layer technique)技術(shù)、3D電化學(xué)微加工(electrochemical 3D micromachining)技術(shù)等。LIGA技術(shù)和IH技術(shù)已在文獻(xiàn)3中進(jìn)行了詳細(xì)地描述，本文僅就其余的微細(xì)加工技術(shù)進(jìn)行闡述。7.1硅微機(jī)械加工硅微機(jī)械加工技術(shù)是微結(jié)構(gòu)制作中一種常用技術(shù)，它來源于集成電路加工技術(shù)，是由集成電路的二維平面加工工藝發(fā)展而成的微三維加工技術(shù)，其主要內(nèi)容有：體硅微機(jī)械

35、加工技術(shù)，主要包括硅的濕法和干法腐蝕；表面硅微機(jī)械加工技術(shù)，主要包括結(jié)構(gòu)層和犧牲層的制備與腐蝕；鍵合技術(shù)，主要包括靜電鍵合和熱鍵合。這些技術(shù)在實際應(yīng)用過程中還要借助于集成電路加工工藝，如光刻、擴(kuò)散、離子注入、外延和淀積等技術(shù)。體硅微機(jī)械加工技術(shù)通常利用硅腐蝕的各向異性來制造各種幾何結(jié)構(gòu)，再通過鍵合技術(shù)將兩部分硅的微結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起形成機(jī)電裝置。表面微加工技術(shù)則是在基片表面加工出可動機(jī)電微結(jié)構(gòu)，其特點是可以充分利用集成電路工藝中大量成熟的工藝技術(shù)；缺點是加工出的微結(jié)構(gòu)深度比較小。7.2 體硅微加工技術(shù)體硅微加工技術(shù)是以單晶硅材料為加工對象，采用腐蝕、鍍膜、鍵合等工藝，在硅體上有選擇性地去除一部分材

36、料，從而獲得所需的微結(jié)構(gòu)。當(dāng)腐蝕劑為液體時所進(jìn)行的腐蝕稱為濕法腐蝕，腐蝕劑為氣體時則稱為干法腐蝕。若腐蝕是在硅片的所有方向均勻腐蝕時，稱為各向同性腐蝕；如果腐蝕速度與單晶硅的晶向有密切關(guān)系，即不同晶向的腐蝕速度相差很大時，則稱為各向異性腐蝕。濕法腐蝕工藝是指采用不同的腐蝕溶液，對硅片進(jìn)行各向同性腐蝕、各向異性腐蝕或自停止腐蝕，加工深度可達(dá)幾百微米。各向同性腐蝕劑由氧化溶液組成，常用的是HFHNO 腐蝕劑。在這里硝酸起氧化作用，氫氟酸起氧化溶劑作用。其簡單的腐蝕機(jī)理是：首先，硝酸同硅發(fā)生氧化反應(yīng)生成SiO ，然后由HF將SiO 溶解，其反應(yīng)方程式為Si+HNO3+HF H2siF6+HNO2+H

37、2O+H2 (1)目前所有已知的用于進(jìn)行硅各向異性腐蝕的溶劑都是堿性的，主要分為兩類。一類是有機(jī)腐蝕劑EPW (乙二胺、鄰苯二酸和水)；另一類是堿性腐蝕劑如KOH。這兩類腐蝕劑具有非常類似的腐蝕現(xiàn)象，其中最常用的是KOH腐蝕液，它在(100)和(111)硅晶面方向上的腐蝕速率差別最大，高達(dá)400：1。KOH腐蝕劑常用KOH (氫氧化鉀)、H20(水)和(CH ) CHOH (異丙醇，IPA縮寫)的混合液。其腐蝕的反應(yīng)式為,Si+2OH+2H20 SiO2(OH)2-2+2H2 (2)Si(OH) +6(CH3)2CHOH一Si(OC3H )6t+6H20(3)由上述反應(yīng)方程可知，在進(jìn)行腐蝕時，

38、首先KOH將硅氧化成含水的硅化合物，然后與異丙醇反應(yīng)，形成可溶解的硅絡(luò)合物，這種絡(luò)合物不斷離開硅的表面，最終形成所需要的微結(jié)構(gòu)。 干法腐蝕是靠腐蝕劑的氣態(tài)分子與被腐蝕的樣品表面接觸來實現(xiàn)腐蝕功能的。干法腐蝕的種類很多，主要有離子腐蝕(IE)、離子束腐蝕(IBE)、等離子體腐蝕(PE)、反應(yīng)離子腐蝕(RIE)和反應(yīng)離子束腐蝕(RIBE)等。其中等離子體刻蝕或反應(yīng)離子刻蝕是目前主要采用的干法刻蝕工藝。前者主要是氣體放電產(chǎn)生的游離基對基體的化學(xué)刻蝕過程，一般為各向同性，選擇性好；后者對基體的刻蝕既有反應(yīng)中性游離基的作用，又有反應(yīng)離子的作用，所以既有化學(xué)刻蝕過程，又有物理刻蝕過程?？刂乒に噮?shù)可進(jìn)行各

39、向同性刻蝕，或進(jìn)行各向異性刻蝕，選擇性也較好。這些工藝的特點是刻蝕速率較高，獲得的微結(jié)構(gòu)側(cè)壁陡直，深寬比較大(約幾十)。圖1 是用干法刻蝕工藝加工的硅微結(jié)構(gòu)放大照片，最窄的線寬3 m，高度100 m，深寬比大于30。體硅微加工技術(shù)與表面硅微加工技術(shù)相比，可以制作較大深寬比的三維微結(jié)構(gòu)，但不能直接制作可活動構(gòu)件，需要通過靜電鍵合或熱鍵合工藝來獲得含活動件的微結(jié)構(gòu)。體硅微加工技術(shù)和表面硅微加工技術(shù)均是由微電子加工技術(shù)發(fā)展而來的，其工藝已相當(dāng)成熟，與微電子工藝的兼容性較好，適合于批量制作含有集成電路的微結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外利用這些技術(shù)已成功地研制了多種硅微傳感器和微執(zhí)行器，如微加速度計、微壓力傳感器、微電機(jī)

40、、微泵等。 表面硅微加工工藝。表面硅微加工技術(shù)是以硅片為基體，利用微電子加工技術(shù)中的氧化、淀積、光刻、腐蝕等工藝，在硅片表面上形成多層薄膜圖形，然后把下面的犧牲層腐蝕掉，以保留上面的微結(jié)構(gòu)圖形圖2給出了該加工技術(shù)的基本工藝過程。薄膜層材料常用多晶硅、氧化硅、氮化硅、玻璃和金屬等，為微結(jié)構(gòu)器件提供敏感元件、電接觸線、結(jié)構(gòu)層、掩模和犧牲層。犧牲層(常用 )做在淀積和光刻形成圖形的結(jié)構(gòu)層下面，可用濕法腐蝕除去，使結(jié)構(gòu)層與基底隔開。表面硅微加工技術(shù)是在硅片上用連續(xù)淀積結(jié)構(gòu)層、犧牲層和光刻的工藝來制作微機(jī)械結(jié)構(gòu)的，硅片本身并不被刻蝕，因而是一種平面加工或準(zhǔn)三維加工工藝，適用于制作厚度幾至十幾微米和深寬比

41、為幾至十幾的微機(jī)械結(jié)構(gòu)。使用該技術(shù)可以制作可活動構(gòu)件如轉(zhuǎn)子、齒輪等，還可以制造多種諧振式、電容式、應(yīng)變式傳感器和靜電式、電磁式執(zhí)行器(如微電機(jī)、諧振器)等。7.3固相鍵合技術(shù)固相鍵合技術(shù)是指不用液態(tài)粘連劑而將兩塊固體材料鍵合在一起，而且鍵合過程中材料始終處于固相狀態(tài)的一種加工方法，主要包括靜電鍵合和直接鍵合兩種。靜電鍵合(又稱陽極鍵合)主要用于硅一玻璃鍵合，可以使硅與玻璃兩者表面之間的距離達(dá)到分子級。直接鍵合技術(shù)主要用于硅一硅鍵合，它可以將兩種高度拋光的硅晶片在沒有外加電場的情況下進(jìn)行永久性鍵合 。靜電鍵合技術(shù)是1969年Wallis和Pomeranty一首次提出的,Brooks和于Donov

42、an于1972年首次用濺射沉積方法將硼硅玻璃沉積在被鍵合的一硅基片表面，然后和另一硅基片進(jìn)行鍵合。靜電鍵合的原理 為：被鍵合的硅片接陽極，玻璃不與硅片接觸的一面接陰極，陰極與陽極之間加 的電壓，以 以上的溫度對玻璃和硅片加熱。在這種溫度下由于玻璃離子的電導(dǎo)率增大，使得玻璃中大量帶有正電荷的鈉離子產(chǎn)生漂移而離開玻璃一硅界面，遷移到玻璃外表面的陰極進(jìn)行中和。由于陰離子較大，它的遷移速度慢，遷移率很小，因此作為正離子遷移的結(jié)果，在玻璃中，特別是在玻璃和硅片的交界面出現(xiàn)具有(負(fù))陰離子(SiO2)的區(qū)域，硅片帶正電荷，因而硅片與玻璃間存在較強(qiáng)的靜電吸引力，使緊密接觸的界面在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過氧一

43、硅化學(xué)價鍵合，將硅及玻璃基片牢固地鍵合在一起。靜電鍵合的鍵合強(qiáng)度可達(dá)數(shù)兆帕。7.4硅膜工藝硅膜工藝是1998由李敬鋒和日本東北大學(xué)研究組共同開發(fā)的一種新型微制造技術(shù) ，它融合了硅晶片的微細(xì)加工技術(shù)和材料成型技術(shù)，是一種利用微加工的硅晶片作為微型模具來制備三維立體微結(jié)構(gòu)的一種新型工藝。其工作原理為先用甩膠機(jī)在硅晶片的表面涂一層感光膠后，將它置于掩模版下進(jìn)行曝光，通過顯影處理后就會在感光膠層形成事先設(shè)計好的圖樣；將感光處理后的硅晶片進(jìn)行反應(yīng)性離子刻蝕(RIE)，無感光膠保護(hù)的部位就會被刻蝕成微孔，這樣磨具就做好了；然后在模具上澆注液體材料，利用燒結(jié)工藝使其固化后，再用一種特殊的氣體(如XeF 等)

44、將硅膜選擇性的腐蝕掉，即得到所需的三維微結(jié)構(gòu)?由于該工藝使用了離子刻蝕工藝，其深寬比類似于陳迪教授等開發(fā)的DEM (deepetching，electroforming，microreplication)工藝，精度約為亞微米級。在上述微加工工藝中，它們都能夠產(chǎn)生不同深寬比、不同精度的真三維結(jié)構(gòu)。但在各自的加工過程中由于都需要掩模，因而其精確度和靈活性受到了限制。它們很難根據(jù)圖形的變化隨時進(jìn)行相應(yīng)變動，而必需更換不同的掩模版，加工工藝不夠靈活。另外，這些工藝中所用的掩模版主要是由電子束光刻生成的或由其轉(zhuǎn)換而成的， 由于轉(zhuǎn)換過程中存在誤差，電子束掩模版的精度不能得到很好的重現(xiàn)，其光刻精度低于電子束

45、光刻技術(shù)，一般在亞微米級。因此這些微三維加工術(shù)不能很好地適應(yīng)將來微機(jī)電系統(tǒng)的高速發(fā)展，需要尋求更好的加工工藝，以便生產(chǎn)出精度更高、更復(fù)雜的三維微結(jié)構(gòu)。電子束光刻技術(shù)是目前公認(rèn)的最好的高分辨率圖形制作技術(shù)， 目前各種亞微米級的生產(chǎn)模板全是用電子束光刻抗蝕劑工藝來完成的。電子束光刻具有束斑小、焦深長、易于控制等特點，在實驗室條件下， 已能將電子束聚焦成尺寸小于2 nm的束斑，可以實現(xiàn)納米級曝光。如果能夠找到一種方法，將電子束光刻、IH工藝和LIGA工藝的優(yōu)勢結(jié)合起來，即使用具有直寫功能、控制靈活、精度高等特點的電子束來代替IH工藝中的激光束對液態(tài)低聚物進(jìn)行輻射固化，通過層層疊加生成具有任意曲面和任

46、意高深寬比的微結(jié)構(gòu)，然后使用LIGA技術(shù)的微電鑄和注塑兩后續(xù)工藝，完成微結(jié)構(gòu)的批量生產(chǎn)，必能產(chǎn)生一種更加新穎的微加工工藝。8.微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)的現(xiàn)狀和應(yīng)用研究8.1 微機(jī)械及其特點20世紀(jì)8O年代后期，國際高科技領(lǐng)域出現(xiàn)了一個值得重視的微機(jī)械技術(shù)(micromechanism)，隨之出現(xiàn)了微機(jī)電系統(tǒng)( ech cal system)。微機(jī)械的問世引起了制造技術(shù)的一次革命。微加工技術(shù)在微機(jī)械的發(fā)展過程中占有主導(dǎo)地位，起著關(guān)鍵作用。MEMS體積小、重量輕是利用微細(xì)加工技術(shù)和某些特殊功能材料，將機(jī)構(gòu)及其致動器、控制器、傳感器、電源等集成在一個微小體積范圍內(nèi)發(fā)揮機(jī)械功能的機(jī)電一體化產(chǎn)品，是機(jī)、電

47、、光、磁、化學(xué)、自動控制、傳感技術(shù)與信息處理等多種技術(shù)的綜合。功能比較齊全的微機(jī)械就是一個微機(jī)電系統(tǒng)，其代表裝置就是微機(jī)器人。當(dāng)然，它的實現(xiàn)必須有相應(yīng)的基礎(chǔ)理論及制造技術(shù)的支撐按照結(jié)構(gòu)尺寸大小，可將微機(jī)械分為：1100mm的微小機(jī)械(minimechnism)，10tnn一1mm的微機(jī)械(micmmechandsm)，10tml一10tnn的超微機(jī)械(submicro mechanism)3類。外形微小，操作尺度極小成為微機(jī)械的基本特征。微機(jī)械綜合應(yīng)用當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的尖端成果，是影響產(chǎn)業(yè)競爭力的基礎(chǔ)科技之一。它具有傳統(tǒng)機(jī)械所未有的優(yōu)異特性，有著廣泛的應(yīng)用前景和可觀的經(jīng)濟(jì)效益。微機(jī)械在機(jī)械工程、醫(yī)

48、藥衛(wèi)生、航天航空、國防尖端、信息、環(huán)境工程以至民生等方面都具有極其重要而廣闊的發(fā)展前景。據(jù)國外預(yù)測，到20O2年，與微機(jī)械相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)值將達(dá)到4O0億美元。就應(yīng)用而言，美國和日本優(yōu)先用于航天航空、醫(yī)療、生物、民用電子產(chǎn)品等。歐洲主要用于制造技術(shù)、測試技術(shù)和過程控制技術(shù)等方面。從功能上看，微機(jī)械具有一般機(jī)械遠(yuǎn)不能及的優(yōu)勢：(1)首先表現(xiàn)在活動空間、操作對象和工作環(huán)境上，由于微機(jī)械的微小特性，可以進(jìn)入一般機(jī)械無法進(jìn)入的區(qū)間；(2)其次與一般機(jī)械相比，微機(jī)械所表現(xiàn)的智能化程度更高、實現(xiàn)的功能更趨于多樣化。8.2微機(jī)械的研究現(xiàn)狀研究內(nèi)容微機(jī)械的研究可分為理論基礎(chǔ)、技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究3部分。理論基礎(chǔ)

49、涉及微電子學(xué)、微結(jié)構(gòu)學(xué)、微光學(xué)、微動力學(xué)、微熱力學(xué)、微摩擦學(xué)、微流體學(xué)、材料學(xué)等。技術(shù)基礎(chǔ)體現(xiàn)在微機(jī)械的整個制作過程中，包括微機(jī)械選材、設(shè)計、微細(xì)加工技術(shù)、裝配與封裝技術(shù)、檢測技術(shù)、控制與集成技術(shù)等。8.2.2研究進(jìn)展在國際上，美、日、德在微機(jī)械的基礎(chǔ)研究與產(chǎn)品開發(fā)方面占領(lǐng)先地位。加世紀(jì)60年代，美國就從事微機(jī)械研究，并已成功地利用硅片腐蝕方法制造了應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的腦電極陣列的探針，接著又在微傳感器等方面取得成功。至今，在靜電電機(jī)、微機(jī)構(gòu)的研究方面已處于領(lǐng)先地位。日本雖起步晚于美國，但由于政府、學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視，在微細(xì)工具與徼細(xì)加工、微流量泵、微傳感器、徼繼電器等方面的研究獲得了較快的進(jìn)展

50、。德國也已研制成功振動和加速度傳感器、流量與溫度傳感器等各種微型構(gòu)件。國內(nèi)由于基礎(chǔ)、資金等問題，起步較晚，在研究規(guī)模、技術(shù)水平方面與先進(jìn)國家相比尚有一定的差距。但也在積極開展某些研究工作。如清華大學(xué)研制成功了多晶硅粱、微流泵與閥、徼彈簧等微器件；哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出了電致伸縮陶瓷驅(qū)動的兩自由度微機(jī)器人，位移范圍為10nun×10mm；另外，上海交大、西北工大、上海光機(jī)所等一些單位也在直流電磁電機(jī)的研制、柔性微致動器、多晶硅齒輪、微靜電電機(jī)、微機(jī)械測試技術(shù)等方面做了不少研究工作。8.2.3今后應(yīng)用研究方向美國國會已把微機(jī)械和納米技術(shù)(NT)列為2l世紀(jì)重點發(fā)展學(xué)科之一。日本從1991年

51、起，也把微機(jī)械研究作為國家重大科研項目。英國政府在財政困難的情況下極力支持微機(jī)械的研究。我國的微致動器、微機(jī)器人的開發(fā)已列入國家863計劃。微機(jī)械與納米技術(shù)將是21世紀(jì)的科技與微細(xì)加工原指加工尺度約在微米級范圍的加工方法 在微機(jī)械研究領(lǐng)域中，微細(xì)加工是微米級精細(xì)加工、亞微米級微細(xì)加工、納米級微細(xì)加工的通稱。廣義上的微細(xì)加工，其方式十分豐富，幾乎涉及現(xiàn)代特種加工、高能束JJ,y-等方式。而微機(jī)械制造過程又往往是多種加工方式的組合。9.微細(xì)加工技術(shù)從基本加工類型看，微細(xì)加工可大致分四類：分離加工；接合加工；變形；材料處理或改性和熱處理或表面改性等。微細(xì)加工技術(shù)曾廣泛用于大規(guī)模集成電路的加工制作，正

52、是借助于微細(xì)加工技術(shù)才使得眾多的微電子器件及相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)蓬勃興起。目前微細(xì)加工技術(shù)已逐漸被賦予更廣泛的內(nèi)容和更高的要求。微細(xì)加工技術(shù)已在特種新型器件、電子零件和電子裝置、機(jī)械零件和裝置、表面分析、材料改性等方面發(fā)揮日益重要的作用，特別是微機(jī)械研究和制作方面，微細(xì)加工技術(shù)已成為必不可少的基本環(huán)節(jié)。10.微細(xì)加工技術(shù)發(fā)展前景與展望自1958年美國首先研制成功集成電路起，1963年MoS場效應(yīng)晶體管研制成功，1964年出現(xiàn)PMOS集成電路，1971年以來相繼推出了4K、16K、256K、IM、4M、16M、64M、256M 和lG的DRAM(動態(tài)存貯器)，并形成規(guī)模生產(chǎn)。從集成電路制作技術(shù)的發(fā)展歷

53、史可以看出，到目前為止，國際上集成電路芯片的發(fā)展基本上還是遵循摩爾定律和等比例縮小規(guī)律，即每隔3年集成度增加4倍，因硅電子器件隨著其特征尺寸的縮小，工作速度將會增加，功耗將會降低，其特征尺寸隨之相應(yīng)縮小30 ，同時引發(fā)了一系列微細(xì)加工技術(shù)“極限”問題，見表1。10.1 延伸“極限"束縛的技術(shù)微電子技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步主要是靠工藝技術(shù)的不斷改進(jìn)，使得器件特征尺寸的“極限”獲得一次次突破，從而使集成度不斷提高，功耗降低，器件性能得到改善，然而特征尺寸的不斷縮小，使得集成電路的微細(xì)加工技術(shù)不斷受到物理學(xué)“極限”的困擾，同時對工藝中所采用的材料、介質(zhì)以及超微細(xì)加工技術(shù)、各種摻雜技術(shù)、金屬化及多層

54、金屬互連技術(shù)水平的要求也越來越高。微細(xì)加工的基本流程以硅為襯底的微細(xì)加工技術(shù)實際就是實現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移整個過程中的處理技術(shù)，一般的微細(xì)加工過程包括基片預(yù)處理、光刻、摻雜、腐蝕、互連線制作等基本流程。將預(yù)處理后的基片通過多次光刻技術(shù)、腐蝕技術(shù)，把電路圖形永久地保留在硅片上，同時采用一定的摻雜技術(shù)，在硅片上形成滿足IC設(shè)計要求的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。10.1.2 超微細(xì)光刻技術(shù)在微電子制造技術(shù)中，最為關(guān)鍵的是用于電路版圖圖形生成和復(fù)制的光刻技術(shù)。目前光刻技術(shù)變革將對整個微電子制造技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響?，F(xiàn)今光學(xué)光刻在超大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)中仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位。當(dāng)特征線條尺度從018um邁向013um時，首先在光刻

55、工藝上遇到難題，在曝光過程中因曝光源經(jīng)過光學(xué)上的衍射、干涉等能量損失，造成曝光線條分辨率下降，因而曝光源的選擇及其重要。通過采用超短波長的近紫外光、深紫外光、極紫外光，以及X一射線、離子束、電子束等曝光源光刻，已獲得了高分辨率光刻線條。在深亞微米工藝研究中，利用極紫外線、電子束等作為曝光源，將成為今后的首選。由鉬(Mo)硅(S )組成的多層結(jié)構(gòu)膜對極紫外光有較高的反射系數(shù)，因此13nm的極紫外線光反射式光刻系統(tǒng)可能成為深亞微米(0.1u m以下)技術(shù)中的主流曝光工具。由于超微細(xì)光刻在器件加工中的重要性，所以超微細(xì)光刻技術(shù)得到國際許多大公司的關(guān)注。電子束光刻，最早由Lucent公司研制了投影光刻系統(tǒng)Scaped，使用由低分子量氮化硅膜和高原子量的鎢柵層共同組成的散射掩模版，當(dāng)高能電子束照射在掩模版上時，經(jīng)過低原子量氮化硅的電子束不發(fā)生散射，而經(jīng)過高原子量鎢柵的電子束發(fā)生散射，然后電子經(jīng)過透鏡聚焦到一個孔上，并只允許沒發(fā)生散射的電子通過，再經(jīng)過另一個透鏡照在硅片上，重新出現(xiàn)由低原子量材料組成的圖案，由于此孔擋住了散射的電子，所以在硅片上可以獲得高反差的圖象。由于它不吸收電子、圖形不易變形，應(yīng)用前景很好。10.1.3互連線與低K