微纳加工技术ห้องสมุดไป่ตู้
孟祥坤 1306化工过程机械 2013年10月28日
微镊子
微镜阵列
微马达
微继电器
微铰链
微纳加工技术概述
• 微纳米加工技术是指加工形成的部件或结构本身的尺寸在 微米或纳米量级，正是微纳米加工技术的发展促进了集成 电路的发展, 导致集成电路的集成度以每 18 个月翻一番的 速度提高.
• 微纳加工技术往往牵涉材料的原子级尺度。 • 纳米技术是指有关纳米级（0.1-100ｎｍ）的材料、设计、
• ( 2 ) 平面工艺一般只能形 成二维平面物理结构, 或准 三维结构, 而不是真正的三维系统. 平面工艺形成的三维 结构是通过多层二维结构叠加而成的;
• ( 3 )平面工艺形成的是整个系统, 而不是单个部件. 由 于每个部件如此之小, 根本无法按传统的先加工分立部件 然后装配成系统的途径. 所以系统中的每个部件以及它们 之间的关系是在平面加工过程中形成的.
• 集成电路制造的平 面工艺概括起来为 4 个 基本方面：
( 1 ) 薄膜沉积 包括各种氧化膜, 多晶硅膜, 金属膜等
( 2 ) 图形化 所谓图形化是在硅基底和沉积的薄膜上形成各 种电路图形. 这包括光刻和刻蚀两个方面. 更确切地说, 图 形化是集成电路微纳米加工的核心.
( 3 ) 掺杂 晶体管的载流子区通过掺杂形成, 掺杂包括热扩散 掺杂和离子注入掺杂
其特点是具有超高分辩率 ,高产量 ,低成本 。
1. 高分辩率是因为它没有光学曝光中的衍射现象和电子束 曝光中的散射现象 。
2. 高产量是因为它可以象光学曝光那样并行处理 , 同时 制作成百上千个器件 。
3 . 低成本是因为它不象光学曝光机那样需要复杂的光学 系统或象电子束曝光机那样需要复杂的电磁聚焦系统 。
• 腐蚀技术包括化学液体湿法腐蚀和各种等离子体干法刻蚀.
a.湿法腐蚀是将硅片浸没于某种化学溶剂中，该溶剂与 暴露的区域发生反应，形成可溶解的副产品。
根据腐蚀效果可以将湿法腐蚀分为各向同性腐蚀和各 向异性腐蚀。
b.干法刻蚀是利用反应性气体或离子流进行腐蚀的方法。 干法刻蚀既可以刻蚀非金属材料，也可以刻蚀多种金属； 既可以各向同性刻蚀，也可以各向异性刻蚀。干法刻蚀按 原理来分可分为：离子刻蚀技术，包括溅射刻蚀和离子束 刻蚀，其腐蚀机理是物理溅射；等离子体刻蚀技术，在衬 底表面产生纯化学反应腐蚀；反应离子刻蚀技术，它是化 学反应和物理溅射效应的综合。
制造、测量、控制和产品的技术。 • 纳米技术是科技发展的一个新兴领域，它不仅仅是关于如
何将加工和测量精度从微米级提高到纳米级的问题，也是 关于人类对自然的认识和改造如何从宏观领域进入到微观 领域。
微纳加工技术分类
1.平面工艺
2 探针工艺
3 模型工艺
平面工艺
• 图 1 描绘了平面工艺的基本步骤. 平面工艺依 赖于光刻技术 （集成电路制造中利用光学- 化学反应原理和化学、物理刻 蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效 图形窗口或功能图形的工艺技术）. 首先将一层光敏物质感 光, 通过显影使感光层受到辐射的部分或未受到辐射的部分 留在基底材料表面, 它代表了设计的图案. 然后通过材料沉积 或腐蚀将感光层的图案转移到基底材料表面. 通过多层曝光, 腐蚀或沉积, 复杂的微纳米结构可以从基底材料上构筑起来. 这些图案的曝光可以通过光学掩模投影实现, 也可以通过直 接扫描激光束, 电子束或离子束实现.
( 4 ) 热处理 离子注入后通过热处理可以恢复由离子轰击造 成的晶格错位, 热处理也可以使沉积的金属膜与基底合金 化, 形成稳固的导电层.
平面微纳米加工技术虽然主要应用于集成电路制造, 但近年来 微系统技术中也大量应用平面工艺制作各种微机械、 微流体和 微光机电器件等
探针工艺
• 探针工艺可以说是传统机械加工的延伸, 这里各种微纳米尺寸的探针取代了 传统的 机械切 削工具.微纳米探针不仅包括诸如扫 描隧道显微探针, 原子力显微探针等固态形 式的探针, 还包括聚焦离子束, 激光束, 原子 束和火花放电微探针等非固态形式的探针.
纳米压印的具体工艺由于材料 、 目标图形和产品用途的不 同而不同 , 但其基本原理和工作程序是相同的 。
模型工艺
模型工艺则是利用微纳米尺寸的模具复制出 相应的微纳米结构. 模型工艺包括纳米压印技术, 塑料模压技术和模铸技术.
纳米压印技术
• 1995年华裔科学家周郁（Stephen Chou）提出 了纳米压印光刻的思想。纳米压印是利用含有纳 米图形的图章压印到软化的有机聚合物层上.它是 一种全新的纳米图形复制方法 。
飞秒激光加工技术
• 飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间非常短 ，只有几个飞秒（一飞秒是10-15秒）
• 飞秒激光的特点
1、飞秒激光是我们人类目前在实验条件下能够获得的最短 脉冲，它的精确度是± 5 微米;
2、飞秒激光有非常高的瞬间功率，它的瞬间功率可达百万 亿瓦，比目前全世界的发电总功率还要多出上百倍;
此外还包括材料沉积技术包括热蒸发沉积,化学气相沉积或电 铸沉积.
平面工艺不同于传统机械加工的原因:
• ( 1 )微纳米结构由曝光方法形成, 而不是加工工具与材 料的直接相互作用. 所以限制加工结构尺寸的不是加工工 具本身的尺寸, 而是成像系统的分辨率, 例如光波的波长 , 激光束, 电子束或离子束直径;
3 物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现象，气态的 物质、液态的物质、固态的物质瞬间都会变成等离子
4、飞秒激光具有精确的靶向聚焦定位特点，能够聚焦到比 头发的直径还要小的多的超细微空间区域;
飞秒激光加工技术应用举例
加工前探针的扫描电镜分析图
加工后探针的扫描电镜分析图
利用飞秒激光纳米加工系统得 到的PMMA材料直线图形
因此纳米压印可望成为一种工业化生产技术 , 从根本上 开辟了各种纳米器件生产的广阔前景.纳米压印技术已经展 示了广阔的应用领域 。 如用于制作量 子 磁 碟 ，DNA 电 泳 芯 片，G aAs(高频) 光 检 测器，波导起偏器, 硅场效应 管, 高密磁结构, G aAs 量子器件,纳米电机系统和微波集成 电路等