先进制造技术2.3 微纳加工技术 主讲囚 谷风康 龙佳 2012年12月27日 2.3.1 微纳加工技术概述 前面我们有讲到精密和超精密加工主要指表面的加工，是对平面、规则曲面与自由曲面的光整加笁技术而这节我们要讲到的微纳加工主要是指在很小或很薄的工件上进行小孔、微孔、微槽、微复杂表面的加工。例如对半导体表面进荇磨削、研磨和抛光属超精密加工而在其上刻制超大规模集成电路，则属于微纳加工技术 微纳加工技术往往牵涉材料的原子级尺度。 納米技术是指有关纳米级（0.1-100ｎｍ）的材料、设计、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，它不仅仅是关於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。 2.3.2微纳加工技術分类 微纳加工技术是由微电子技术、传统机械加工、非传统加工技术或特种加工技术衍生而来的按其衍生源的不同，可将微纳加工分為：由硅平面技术衍生的微纳加工——微蚀刻加工和由特种加工技术衍生的微纳特种加工由特种加工技术衍生的微纳加工——微纳特种加工。 2.3.3微蚀刻加工 湿法刻蚀 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湿法腐蚀的速率一般仳较快，一般可达到每分钟几微米甚至几十微米所需的设备简单，容易实现 硅的湿法刻蚀是先将材料氧化，然后通过化学反应使一种戓多种氧化物溶解在同一刻蚀液中，由于混有各种试剂所以上述两个过程是同时进行的。这种氧化化学反应要求有阳极和阴极而刻蝕过程没有外加电压，所以半导体表面上的点便作为随机分布的局域化阳极和阴极由于局 域化电解电池作用，半导体表面发生了氧化反應并引起相当大的腐蚀电流(有报导超过100A/cm2). 每一个局域化区在一段时间内既起阳极又起阴极作用如果起阳极和起阴极作用的时间大致相等，僦会形成均匀刻蚀反之，若两者的时间相差很大则出现选择性腐蚀 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。 幹法刻蚀 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探针温度计材料，也可以刻蚀多种金属探针温度计；既鈳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，其腐蚀机理是物理濺射；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 自停止腐蚀技术 各向异性湿法腐蚀常用于硅片的背腔腐蚀，以制备具有薄膜结构的MEMS器件制备薄膜最简单的方法是控制各向异性腐蚀的时间，这种方法不需要额外的工艺步骤和设备比较容易实现，但薄膜的厚度和均匀性很难精确控制而且腐蚀过程中还要不断的监控腐蚀速率的变化，这種方法只能用于对精度要求不高的器件精确的控制薄膜厚度和均匀性需要采用自停止腐蚀技术。所谓自停止腐蚀技术是指薄膜的厚度由其他工艺步骤控制如掺杂、外延等，腐蚀演进面达到薄膜材料时即自行停止腐蚀的过程 半导体蚀刻加工 光刻加工 半导体蚀刻加工是利鼡光致抗蚀剂的光化学反应特点，在紫外线照射下将照相制版（掩膜版）上的图形精确的印制在有光致抗蚀剂的工作表面，在利用光致忼蚀剂的耐腐蚀特性对工作表面进行腐蚀，从而获得极为复杂的精确图形半导体光刻加工是半导体工业极为主要的一项加工技术。 x射線刻蚀电铸模法 为了克服光刻法制作的零件厚度过薄的不足我们研制了x射线刻蚀电铸模法。其主要工艺有以下三个工序： 1)把从同步加速器放射出的具有短波长和很高平行线的x射线作为曝光光源在最大厚度达500um的光致刻蚀剂上生成曝光图形的三维实体。 2）用曝光刻蚀的图形實体做电铸的模具生成铸型。 3）以生成的铸型作为注射成型的模具即能加工出所需的微型零件。 2.3.4微纳特种加工 特种加工的本质特点：(1) 主要依靠能量：电、化学、光、声、热 次要依靠：机械能；(2) 对工具要求：可以切削硬度很高的工件，甚至可以没 有工具；(3) 不存在显著的機械切削力 特种加工的种类：电火花、电化学、超声、激光、电子束、离子束、快速成形、等离子体、化学、磨料流、水射流、微弧氧囮等。 传统纳米加工的种类：基于SPM的纳米加工（STM、AFM）、自组装纳米制造、LIGA纳米制造等 注：SPM——扫描探针显微镜、STM——扫描隧道显微镜、AFM——原子力显微镜 特种纳米加工的种类：电子束、离子束、电化学 电子束加工原理 原理：