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1、微納加工技術 孟祥坤 1306化工過程機械 2013年 10月 28日 微鑷子 微鏡陣列 微馬達 微繼電器 微鉸鏈 微納加工技術概述 微納米加工技術是指加工形成的部件或結構本身的尺寸在 微米或納米量級，正是微納米加工技術的發(fā)展促進了集成 電路的發(fā)展 , 導致集成電路的集成度以每 18 個月翻一番的 速度提高 . 微納加工技術往往牽涉材料的原子級尺度。 納米技術是指有關納米級（ 0.1-100）的材料、設計、 制造、測量、控制和產(chǎn)品的技術。 納米技術是科技發(fā)展的一個新興領域，它不僅僅是關于如 何將加工和測量精度
2、從微米級提高到納米級的問題，也是 關于人類對自然的認識和改造如何從宏觀領域進入到微觀領域。 微納加工技術分類 1.平面工藝 2 探針工藝 3 模型工藝 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 （集成電路制造中利用光學 - 化學反應原理和化學、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） . 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 , 它代表了設計的圖案 . 然后通過材料沉積 或腐蝕將感光層的圖案轉移到基底材料表面 . 通過多層曝光 ,
3、 腐蝕或沉積 , 復雜的微納米結構可以從基底材料上構筑起來 . 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 接掃描激光束 , 電子束或離子束實現(xiàn) . 腐蝕技術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，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，包括濺射
4、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，在襯 底表面產(chǎn)生純化學反應腐蝕；反應離子刻蝕技術，它是化 學反應和物理濺射效應的綜合。 此外還包括材料沉積技術包括熱蒸發(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 )微納米結構由曝光方法形成 , 而不是加工工具與材 料的直接相互作用 . 所以限制加工結構尺寸的不是加工工 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 成二維平面物理結構 , 或準 三維結構 , 而不是真正的三維系統(tǒng) . 平面工藝形成的三維
5、 結構是通過多層二維結構疊加而成的 ; ( 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 之間的關系是在平面加工過程中形成的 . 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
6、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)固的導電層 . 平面微納米加工技術雖然主要應用于集成電路制造 , 但近年來 微系統(tǒng)技術中也大量應用平面工藝制作各種微機械、 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 ,
7、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 飛秒激光是一種以脈沖形式運轉的激光，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
8、光加工技術應用舉例 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制出 相應的微納米結構 . 模型工藝包括納米壓印技術 , 塑料模壓技術和模鑄技術 . 納米壓印技術 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復制方法 。 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
9、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雜的光學 系統(tǒng)或象電子束曝光機那樣需要復雜的電磁聚焦系統(tǒng) 。 因此納米壓印可望成為一種工業(yè)化生產(chǎn)技術 , 從根本上 開辟了各種納米器件生產(chǎn)的廣闊前景 .納米壓印技術已經(jīng)展 示了廣闊的應用領域 。 如用于制作量 子 磁 碟 ， DNA 電 泳 芯 片， G aAs(高頻 ) 光 檢 測器，波導起偏器 , 硅場效應 管 , 高密磁結構 , G aAs 量子器件 ,納米電機系統(tǒng)和微波集成 電路等 納米壓印的具體
10、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.圖形轉移過程 4.相關材料研究（模板材料，襯底材料，納 米壓印膠） 應用領域 1. 光刻技術替代者 2. 集成電路領域 3. 光學領域 制作高密度亞波長光柵，應用在金屬起偏器上 ，制備光子晶體等。 4. 存儲領域 采用熱壓印技術制備高密度光盤位存儲器 5. 生物領域 微納米加工技術的應用 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
11、米結構與器件 .同一種微納米器件或 結構可以用多種不同微納米加工技術實現(xiàn) . 任何一種微納 米結構的加工都需要不止一種微納米加工技術 . 脫離開實 際應用談微納米加工技術是毫無意義的 . 但在眾多加工技 術中如何針對某一特殊應用選擇合適的加工方法 , 應參考 以下原則 : ( 1 ) 最小結構尺寸 ( 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 技術的進步 , 而微納米加工技術的進步反過來又會 啟發(fā)新型微納米器件的開發(fā)
12、。在現(xiàn)代高科技發(fā)展 中 ,微納米技術可以說是無處不在 . 微型化已經(jīng)從 集成電路芯片發(fā)展到其他各個應用領域 . 微納米加 工技術是微納米技術的基礎 . 這種依賴關系集中體 現(xiàn)在下述應用領域 : 半導體集成電路 , 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 領域都是當前熱門的高科技發(fā)展領域 . 微納米加工技術發(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的能力提出 了更高的要求 . 微系統(tǒng)技術 , 包括微電子機械 , 微流體 , 微光學系統(tǒng) , 為
13、微納米加工技術的發(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)加工技術的多樣化與微系統(tǒng)本身的多樣化造 成了標準化生產(chǎn)的極大難度 結論 (1)中國微納米技術的發(fā)展己步入了一個健康的軌 道，正在蓬勃發(fā)展。 (2)微納米器件加工方法的原理等基本能與國外對 接，但微系統(tǒng)設計與工藝軟件仍被國外所占據(jù)。 有待開發(fā)中國自己的軟件。 (3)微納米技術和生物醫(yī)學技術的結合是一個重要 方向，開發(fā)新型的高靈敏度生化微納傳感器成為 未來的研究熱點
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