微納加工技術(shù)

1、微納加工技術(shù) 孟祥坤 1306化工過程機械2013年10月28日微鑷子微鑷子微鏡陣列微鏡陣列微馬達微馬達微繼電器微繼電器微鉸鏈微鉸鏈微納加工技術(shù)概述 微納米加工技術(shù)是指加工形成的部件或結(jié)構(gòu)本身的尺寸在微米或納米量級，正是微納米加工技術(shù)的發(fā)展促進了集成電路的發(fā)展, 導(dǎo)致集成電路的集成度以每 18 個月翻一番的速度提高. 微納加工技術(shù)往往牽涉材料的原子級尺度。 納米技術(shù)是指有關(guān)納米級（0.1-100）的材料、設(shè)計、制造、測量、控制和產(chǎn)品的技術(shù)。 納米技術(shù)是科技發(fā)展的一個新興領(lǐng)域，它不僅僅是關(guān)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(guān)于人類對自然的認識和改造如何從宏觀領(lǐng)域進入到微觀領(lǐng)域

2、。微納加工技術(shù)分類1.平面工藝平面工藝 2 探針工藝探針工藝3 模型工藝模型工藝平面工藝平面工藝 圖 1 描繪了平面工藝的基本步驟. 平面工藝依 賴于光刻技術(shù)（集成電路制造中利用光學- 化學反應(yīng)原理和化學、物理刻蝕方法，將電路圖形傳遞到單晶表面或介質(zhì)層上，形成有效圖形窗口或功能圖形的工藝技術(shù)）. 首先將一層光敏物質(zhì)感光, 通過顯影使感光層受到輻射的部分或未受到輻射的部分留在基底材料表面, 它代表了設(shè)計的圖案. 然后通過材料沉積或腐蝕將感光層的圖案轉(zhuǎn)移到基底材料表面. 通過多層曝光, 腐蝕或沉積, 復(fù)雜的微納米結(jié)構(gòu)可以從基底材料上構(gòu)筑起來. 這些圖案的曝光可以通過光學掩模投影實現(xiàn), 也可以通過直

3、接掃描激光束, 電子束或離子束實現(xiàn). 腐蝕技術(shù)包括化學液體濕法腐蝕和各種等離子體干法刻蝕. a.濕法腐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(yīng)，形成可溶解的副產(chǎn)品。 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。 b.干法刻蝕是利用反應(yīng)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(shù)，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(shù)，在襯底表面產(chǎn)生純化學反應(yīng)腐蝕；反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，它是化學反應(yīng)和物理濺射效應(yīng)的綜合。此外還包括材料沉積技術(shù)包

4、括熱蒸發(fā)沉積,化學氣相沉積或電鑄沉積.平面工藝不同于傳統(tǒng)機械加工的原因: ( 1 )微納米結(jié)構(gòu)由曝光方法形成, 而不是加工工具與材料的直接相互作用. 所以限制加工結(jié)構(gòu)尺寸的不是加工工具本身的尺寸, 而是成像系統(tǒng)的分辨率, 例如光波的波長, 激光束, 電子束或離子束直徑; ( 2 ) 平面工藝一般只能形 成二維平面物理結(jié)構(gòu), 或準三維結(jié)構(gòu), 而不是真正的三維系統(tǒng). 平面工藝形成的三維結(jié)構(gòu)是通過多層二維結(jié)構(gòu)疊加而成的; ( 3 )平面工藝形成的是整個系統(tǒng), 而不是單個部件. 由于每個部件如此之小, 根本無法按傳統(tǒng)的先加工分立部件然后裝配成系統(tǒng)的途徑. 所以系統(tǒng)中的每個部件以及它們之間的關(guān)系是在平面

5、加工過程中形成的. 集成電路制造的平 面工藝概括起來為 4 個基本方面：( 1 ) 薄膜沉積 包括各種氧化膜, 多晶硅膜, 金屬膜等( 2 ) 圖形化 所謂圖形化是在硅基底和沉積的薄膜上形成各種電路圖形. 這包括光刻和刻蝕兩個方面. 更確切地說, 圖形化是集成電路微納米加工的核心.( 3 ) 摻雜 晶體管的載流子區(qū)通過摻雜形成, 摻雜包括熱擴散摻雜和離子注入摻雜( 4 ) 熱處理 離子注入后通過熱處理可以恢復(fù)由離子轟擊造成的晶格錯位, 熱處理也可以使沉積的金屬膜與基底合金化, 形成穩(wěn)固的導(dǎo)電層. 平面微納米加工技術(shù)雖然主要應(yīng)用于集成電路制造, 但近年來微系統(tǒng)技術(shù)中也大量應(yīng)用平面工藝制作各種微機

6、械、 微流體和微光機電器件等探針工藝 探針工藝可以說是傳統(tǒng)機械加工的延伸, 這里各種微納米尺寸的探針取代了 傳統(tǒng)的機械切 削工具.微納米探針不僅包括諸如掃描隧道顯微探針, 原子力顯微探針等固態(tài)形式的探針, 還包括聚焦離子束, 激光束, 原子束和火花放電微探針等非固態(tài)形式的探針. 飛秒激光加工技術(shù) 飛秒激光是一種以脈沖形式運轉(zhuǎn)的激光，持續(xù)時間非常短，只有幾個飛秒（一飛秒是10-15秒） 飛秒激光的特點1、飛秒激光是我們?nèi)祟惸壳霸趯嶒灄l件下能夠獲得的最短脈沖，它的精確度是 5 微米; 2、飛秒激光有非常高的瞬間功率，它的瞬間功率可達百萬億瓦，比目前全世界的發(fā)電總功率還要多出上百倍; 3 物質(zhì)在飛秒

7、激光的作用下會產(chǎn)生非常奇特的現(xiàn)象，氣態(tài)的物質(zhì)、液態(tài)的物質(zhì)、固態(tài)的物質(zhì)瞬間都會變成等離子4、飛秒激光具有精確的靶向聚焦定位特點，能夠聚焦到比頭發(fā)的直徑還要小的多的超細微空間區(qū)域; 飛秒激光加工技術(shù)應(yīng)用舉例加工前探針的掃描電鏡分析圖加工后探針的掃描電鏡分析圖利用飛秒激光納米加工系統(tǒng)得到的PMMA材料直線圖形模型工藝 模型工藝則是利用微納米尺寸的模具復(fù)制出相應(yīng)的微納米結(jié)構(gòu). 模型工藝包括納米壓印技術(shù), 塑料模壓技術(shù)和模鑄技術(shù). 納米壓印技術(shù) 1995年華裔科學家周郁（Stephen Chou）提出了納米壓印光刻的思想。納米壓印是利用含有納米圖形的圖章壓印到軟化的有機聚合物層上.它是一種全新的納米圖形

8、復(fù)制方法 。其特點是具有超高分辯率 ,高產(chǎn)量 ,低成本 。 1. 高分辯率是因為它沒有光學曝光中的衍射現(xiàn)象和電子束曝光中的散射現(xiàn)象 。 2. 高產(chǎn)量是因為它可以象光學曝光那樣并行處理 , 同時制作成百上千個器件 。 3 . 低成本是因為它不象光學曝光機那樣需要復(fù)雜的光學系統(tǒng)或象電子束曝光機那樣需要復(fù)雜的電磁聚焦系統(tǒng) 。 因此納米壓印可望成為一種工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù) , 從根本上開辟了各種納米器件生產(chǎn)的廣闊前景.納米壓印技術(shù)已經(jīng)展示了廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域 。 如用于制作量 子 磁 碟 ，DNA 電 泳 芯 片，G aAs(高頻) 光 檢 測器，波導(dǎo)起偏器, 硅場效應(yīng)管, 高密磁結(jié)構(gòu), G aAs 量子器件,

9、納米電機系統(tǒng)和微波集成電路等納米壓印的具體工藝由于材料 、 目標圖形和產(chǎn)品用途的不同而不同 , 但其基本原理和工作程序是相同的 。 最基本的步驟 : 1.模板制造 2.壓印過程（模板處理，加壓，脫模過程） 3.圖形轉(zhuǎn)移過程 4.相關(guān)材料研究（模板材料，襯底材料，納米壓印膠）應(yīng)用領(lǐng)域1. 光刻技術(shù)替代者2. 集成電路領(lǐng)域3. 光學領(lǐng)域 制作高密度亞波長光柵，應(yīng)用在金屬起偏器上，制備光子晶體等。4. 存儲領(lǐng)域 采用熱壓印技術(shù)制備高密度光盤位存儲器5. 生物領(lǐng)域微納米加工技術(shù)的應(yīng)用 盡管微納米加工方法多種多樣, 但目的只有一個, 這就是制作具有實際用途的微納米結(jié)構(gòu)與器件.同一種微納米器件或結(jié)構(gòu)可以用

10、多種不同微納米加工技術(shù)實現(xiàn). 任何一種微納米結(jié)構(gòu)的加工都需要不止一種微納米加工技術(shù). 脫離開實際應(yīng)用談微納米加工技術(shù)是毫無意義的. 但在眾多加工技術(shù)中如何針對某一特殊應(yīng)用選擇合適的加工方法, 應(yīng)參考以下原則: ( 1 ) 最小結(jié)構(gòu)尺寸 ( 2 )最經(jīng)濟的加工方法 ( 3 )加工批量要求 ( 4 )生產(chǎn)與科研 ( 5 )加工對象 微納米加工技術(shù)與微納米器件的開發(fā)是相互依存又相互促進的. 新型微納米器件推動微納米加工技術(shù)的進步, 而微納米加工技術(shù)的進步反過來又會啟發(fā)新型微納米器件的開發(fā)。在現(xiàn)代高科技發(fā)展中,微納米技術(shù)可以說是無處不在. 微型化已經(jīng)從集成電路芯片發(fā)展到其他各個應(yīng)用領(lǐng)域. 微納米加工技術(shù)是微納米技術(shù)的基礎(chǔ). 這種依賴關(guān)系集中體現(xiàn)在下述應(yīng)用領(lǐng)域: 半導(dǎo)體集成電路, 納米電子學, 高密度磁存貯, 微系統(tǒng), 生物芯片與納米科技. 這些領(lǐng)域都是當前熱門的高科技發(fā)展領(lǐng)域. 微納米加工技術(shù)發(fā)展趨勢 就集成電路開發(fā)而言, 將電路尺寸做得越來越小始終是工業(yè)界不懈追求的目標. 納米電子器件與分子電子器件都對加工技術(shù)的能力提出了更高的要求. 微系統(tǒng)技術(shù), 包括微電子機械, 微流體, 微光學系統(tǒng), 為微納米加工技術(shù)的發(fā)展開辟了廣闊的天地. 微系統(tǒng)加工面臨的一個嚴峻的挑戰(zhàn)是如何與集成電路加工工藝兼容, 以實現(xiàn)與集成電路的完全集成. 微系統(tǒng)加工面臨的另一個嚴峻的挑戰(zhàn)是如何實現(xiàn)標準化加工.微系統(tǒng)加工