微細(xì)加工與納米加工

1、3.2.1微機(jī)械及其特征3.2.2微細(xì)加工工藝方法3.2.3微細(xì)加技術(shù)發(fā)展與趨勢3.2.1微機(jī)械概念及其特征1.微機(jī)械概念 MEMS是Micro Electro Mechanical Systems的縮寫。即微機(jī)電系統(tǒng)，它是在微電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，融合了硅微加工、LIGA技術(shù)和精密機(jī)械加工等多種微加工技術(shù)， 并應(yīng)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(jìn)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(jī)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(jī)械按其尺寸特征可以分為： 110mm的微小機(jī)械； 1um1mm的微機(jī)械； 1nm1um的納米機(jī)械。 而制造微機(jī)械采用的微細(xì)加工，又可以進(jìn)一步分為微米級微細(xì)加工、亞微米級微細(xì)加工和納米級微細(xì)加工等。微機(jī)械基本特征1 體積小，精度高，質(zhì)量輕；已經(jīng)制出直徑細(xì)如發(fā)絲的齒輪，能開動3mm大小的汽車和花生米大的飛機(jī)。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(qiáng)的抗干擾性，可在較差的環(huán)境下進(jìn)行穩(wěn)定工作3 能耗低，靈敏度和工作效率高；微機(jī)械所消耗的能量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)機(jī)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(jī)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(shí)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(xué)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(xì)加工工藝方法l1 超微機(jī)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(jī)械加工微型超精密加工機(jī)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(jī)床，最小設(shè)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(jī)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(jī)械微零件，是

4、一種三維實(shí)體加工技術(shù)，多是單件加工，單件裝配，費(fèi)用價(jià)。微細(xì)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(zhǔn)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(jī)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(jìn)行刻蝕；l各向異性腐蝕：在不同晶面，以不同速率進(jìn)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(diǎn)：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(diǎn)：該工藝本身屬于二維平面工藝，限制了設(shè)計(jì)的靈活性，且由于采用犧牲層工藝，漂洗和干燥需要反復(fù)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(gè)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(fù)制三個(gè)工藝步驟。由于X射線有非常高的平行度、極強(qiáng)的輻射強(qiáng)度、連續(xù)的光譜，使LIGA技術(shù)能夠制造出高寬比達(dá)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(shí)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(shí)體；l 用曝光蝕刻的圖形實(shí)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(shí)體技術(shù)生產(chǎn)實(shí)體6.封接技術(shù)l目的：將微機(jī)械件連接在一起，使其滿足使用要求。l方法：反應(yīng)封接、淀積密封膜和鍵合技術(shù)。l反應(yīng)封接：是將多晶硅結(jié)構(gòu)與硅基片通過氧化反應(yīng)封接在一起。l淀積密封膜：是用化

7、學(xué)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(gè)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(jìn)行分子和原子的裝配制作微機(jī)械。l美國的IBM公司用STM操縱35個(gè)氙原子，在鎳板上拼出了“IBM”三個(gè)字母；l日本用原

8、子拼成了“Peace”一詞l中國科學(xué)院化學(xué)研究所用原子擺成中國地圖；3.2.3微細(xì)加技術(shù)發(fā)展與趨勢l隨著微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)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(xì)加工方法加工三維微小模具型腔，雖然工藝簡單實(shí)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(xué)等特種加工工藝雖然相對復(fù)雜，但在難切削材料，復(fù)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(fù)雜，但其加工精度最高，可達(dá)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(yīng)微制品零件更多的要求，進(jìn)一步研究工作除了在微機(jī)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(yīng)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(guān)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(yīng)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(jìn)行l(wèi)細(xì)胞中的一些結(jié)構(gòu)單元都是執(zhí)行某種功能的“納米機(jī)械”，細(xì)胞像一個(gè)“納米工廠”l蓮花荷葉出污泥而不染:“荷葉效應(yīng)”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(shí)質(zhì)就是要切斷原子間的結(jié)合，實(shí)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(fù)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(fù)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(jìn)行加工和處理；復(fù)合加工是采用多種加工方法的復(fù)合作用。納米級加工技術(shù)也可以分為機(jī)械加工、化學(xué)腐蝕、能量束加工、復(fù)合加工、隧道掃描顯微技術(shù)加工等多種方法。機(jī)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(jìn)行去除，添加和表面改性等工藝，例如，用激光進(jìn)行切割、鉆孔和表面硬化改性處理。用電子束進(jìn)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(xué)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(jìn)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(jī)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(dá)不到預(yù)期精度；另一方面還會損傷元件表面。該技術(shù)有兩個(gè)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(guān)鍵技術(shù)納米加工的關(guān)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(shí)際上要實(shí)現(xiàn)并不容易，需要解決一些關(guān)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(yán)格控制振動。l噪聲：產(chǎn)生的電流時(shí)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(gè)原子，達(dá)不到原子分辨率，所以針尖必須很尖。l樣品：樣品必須為導(dǎo)體或者半導(dǎo)體，對于不導(dǎo)電的樣品，也要在表面覆蓋一層導(dǎo)電膜，對該導(dǎo)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(jìn)行納米加工。納米加工的關(guān)鍵技術(shù)3.機(jī)床以及工具納米加工對機(jī)床的要求有：高精度，要求機(jī)床有高精度進(jìn)給系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無爬行的納米級進(jìn)給；有回轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，需要保證有納米級回轉(zhuǎn)精度。高剛度，要求機(jī)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(shè)備在使用過程中應(yīng)能長時(shí)間保持高精度，抗干擾、抗振動、高耐磨性。納米加工的關(guān)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(jìn)行操縱，從而使得C60在其臺階上只能一個(gè)方向運(yùn)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(gè)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(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，良好的導(dǎo)電性能，極高的機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)和機(jī)械性能，應(yīng)用前景十分廣泛。納米加工與器件半導(dǎo)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(jìn)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(dá)到22納米，一個(gè)指頭尖大小的芯片就有幾億甚至十幾億個(gè)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(yīng)用納米加工技術(shù)的應(yīng)用納米級微機(jī)械納米加工技術(shù)的應(yīng)用納米存儲技術(shù)近期美國科學(xué)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(xué)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(jī)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(jī)械組裝出了極為牢固可靠的納米存儲元件，輕松實(shí)現(xiàn)了每平方英