微细加工与纳米加工.ppt

3 2 1微机械及其特征3 2 2微细加工工艺方法3 2 3微细加技术发展与趋势 3 2 1微机械概念及其特征 1 微机械概念MEMS是MicroElectroMechanicalSystems的缩写 即微机电系统 它是在微电子技术的基础上发展起来的 融合了硅微加工 LIGA技术和精密机械加工等多种微加工技术 并应用现代信息技术构成的微型系统 它包括感知和控制外界信息 力 热 光 生 磁 化等 的传感器和执行器 以及进行信号处理和控制的电路 它是指可以批量制作的集微型机构 微型传感器 微型执行器以及信号处理和控制电路 甚至外围接口 通信电路和电源等一体的微型器件或系统 其特征尺寸范围为1nm 10mm 微机械按其尺寸特征可以分为 1 10mm的微小机械 1um 1mm的微机械 1nm 1um的纳米机械 而制造微机械采用的微细加工 又可以进一步分为微米级微细加工 亚微米级微细加工和纳米级微细加工等 微机械基本特征 1体积小 精度高 质量轻 已经制出直径细如发丝的齿轮 能开动3mm大小的汽车和花生米大的飞机 2性能稳定 可靠性高 由于体积小 几乎不受热膨胀 噪声等影响 具有较强的抗干扰性 可在较差的环境下进行稳定工作3能耗低 灵敏度和工作效率高 微机械所消耗的能量远小于传统机械的十分之一 但却能以十倍以上的速度来完成同样的工作 4多功能和智能化 微机械集传感器 执行器 信号处理和电子控制电路为一体化 易于实现多功能化和智能化 5适用于大批量生产 制造成本低 如美国的研究人员制造的双向光纤维通信所必须的微型光学调制器 通过光刻技术制造芯片 做一块只需几美分 而过去则要花5000美元 3 2 2微细加工工艺方法 1超微机械加工2光刻加工3体刻蚀加工4面刻蚀加工5LIGA技术6封接技术7分子装配技术 1 超微机械加工 微型超精密加工机床结构示意图为车 铣 磨 电火花加工的多功能微型加工机床 最小设定单位为1nm 单晶金刚石刀具 刀尖圆弧半径为100nm左右 超微机械加工是指用精密金属切割 线切割等方法制造毫米级尺寸以下的微机械微零件 是一种三维实体加工技术 多是单件加工 单件装配 费用价 微细切削加工存在的主要困难 各类微型刀具的制造 刀具安装的姿态 加工基准的转换定位等 光刻加工工艺示例 2 光刻加工 3 体刻蚀加工技术体微机械加工 用腐蚀方法将硅基片有选择性地去除部分材料的方法 各向同性腐蚀 以相同速度对所有晶向进行刻蚀 各向异性腐蚀 在不同晶面 以不同速率进行刻蚀 利用晶格取向 可制作如桥 梁 薄膜等不同的结构 4 面刻蚀加工技术在硅基片上淀积磷玻璃牺牲层材料 腐蚀牺牲层形成所需形状 淀积和腐蚀结构材料薄膜层 除去牺牲层就得到分离空腔微桥结构 制作双固定多晶硅桥工艺 面刻蚀主要优点 具有与常规集成电路的兼容性 器件不仅可以做的很小 而且不影响器件特征 主要缺点 该工艺本身属于二维平面工艺 限制了设计的灵活性 且由于采用牺牲层工艺 漂洗和干燥需要反复多次 且易产生粘连现象 降低成品率 5 LIGA技术LIGA是德文Lithographie Galanoformung和Abformung三个词 即光刻 电铸和注塑的缩写 LIGA工艺是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术 主要包括X光深度同步辐射光刻 电铸制模和注模复制三个工艺步骤 由于X射线有非常高的平行度 极强的辐射强度 连续的光谱 使LIGA技术能够制造出高宽比达到500 厚度大于1500 m 结构侧壁光滑且平行度偏差在亚微米范围内的三维立体结构 这是其它微制造技术所无法实现的 LIGA技术被视为微纳米制造技术中最有生命力最有前途的加工技术 利用LIGA技术 不仅可制造微纳尺度结构 而且还能加工尺度为毫米级的MEMS结构 LIGA工艺过程 在光致抗蚀剂上生成曝光图形实体 用曝光蚀刻的图形实体作电铸用胎膜 在胎膜上沉积金属形成金属微结构件 用金属微结构件作为注塑模具注塑出所需的微型零件 LIGA技术生产实体 6 封接技术 目的 将微机械件连接在一起 使其满足使用要求 方法 反应封接 淀积密封膜和键合技术 反应封接 是将多晶硅结构与硅基片通过氧化反应封接在一起 淀积密封膜 是用化学气相淀积法在构件和衬底之间淀积密封膜 硅 硅直接键合 在高温下依靠硅原子力量直接键合在一起形成一个整体 静电键合 将硅和玻璃之间加上电压产生静电引力而使两者结合成一体 7 分子装配技术扫描隧道显微镜STM ScanningTunnelingMicroscope 原子力显微镜AFM AtomicForceMicroscope 具有0 01nm分辨率 是精度最高的表面形貌观测仪 利用其探针尖端可以俘获和操纵分子和原子 并可按照需要拼成一定的结构 进行分子和原子的装配制作微机械 美国的IBM公司用STM操纵35个氙原子 在镍板上拼出了 IBM 三个字母 日本用原子拼成了 Peace 一词中国科学院化学研究所用原子摆成中国地图 3 2 3微细加技术发展与趋势 随着微机电系统领域对微型制件需求量的不断增长和质量要求的不断提高 微型模具加工技术也在不断发展和完善 以满足微型制件的要求 传统的微细加工方法加工三维微小模具型腔 虽然工艺简单实用 而且不需要太大的投资 但其加工型腔尺寸太大 精度太低 电化学等特种加工工艺虽然相对复杂 但在难切削材料 复杂型面和低刚度材料的模具型腔加工中 具有不可替代的优势 以LIGA技术和UV LIGA技术为代表的光加工技术 工艺最为复杂 但其加工精度最高 可达到的深宽比最大 模具型腔尺寸最小 是最具发展前途的微型模具加工方法 为了适应微制品零件更多的要求 进一步研究工作除了在微机械切削加工方面不断降低零件的加工尺寸 提高加工精度外 还应不断开发新的特种加工技术和光加工技术 纳米加工技术 纳米加工技术简介纳米加工的关键技术纳米加工技术中的纳米器件纳米加工技术的应用 什么是纳米 1 nm 1毫米 mm 的百万分之一 头发的直径的万分之一 蛋白质 DNA RNA 病毒 都在1 100nm的范围光合作用在 纳米车间 进行细胞中的一些结构单元都是执行某种功能的 纳米机械 细胞像一个 纳米工厂 莲花荷叶出污泥而不染 荷叶效应 纳米技工技术简介 什么是纳米加工 纳米级精度的加工和纳米级表层的加工 即原子和分子的去除 搬迁和重组 是纳米技术主要内容之一 精度为3 O 3 m 粗糙度为O 3 O 03 m的叫精密加工 精度为0 3 0 03 m 粗糙度为0 03 0 005 m的叫超精密加工 或亚微米加工 精度为0 03 m 30纳米 粗糙度优于0 005 m以上的则称为纳米 nm 加工 纳米加工的实质就是要切断原子间的结合 实现原子或分子的去除 切断原子间结合所需要的能量 必然要求超过该物质的原子间结合能 按加工方式 纳米级加工可分为切削加工 磨料加工 分固结磨料和游离磨料 特种加工和复合加工四类 纳米级加工还可分为传统加工 非传统加工和复合加工 传统加工是指刀具切削加工 固有磨料和游离磨料加工 非传统加工是指利用各种能量对材料进行加工和处理 复合加工是采用多种加工方法的复合作用 纳米级加工技术也可以分为机械加工 化学腐蚀 能量束加工 复合加工 隧道扫描显微技术加工等多种方法 机械加工方法有单晶金刚石刀具的超精密切削 金刚石砂轮和CBN砂轮的超精密磨削和镜面磨削 磨 砂带抛光等固定磨料工具的加工 研磨 抛光等自由磨料的加工等 能束加工可以对被加工对象进行去除 添加和表面改性等工艺 例如 用激光进行切割 钻孔和表面硬化改性处理 用电子束进行光刻 焊接 微米级和纳米级钻孔 切削加工 离子和等离子体刻蚀等 属于能量束的加工方法还包括电火花加工 电化学加工 电解射流加工 分子束外延等 STM加工是最新技术 可以进行原子级操作和原子去除 增添和搬迁等 1 检测技术 常规的机电测量仪在纳米级检测中 一方面受到分辨率和测量精度的局限 达不到预期精度 另一方面还会损伤元件表面 该技术有两个发展方向 光干涉测量技术和扫描显微测量技术 这里主要介绍扫描显微测量技术 如扫描隧道显微镜 原子力显微镜 磁力显微镜 激光力显微镜等等 纳米加工的关键技术 纳米加工的关键技术 2 环境控制扫描探针显微镜原理上讲比较简单 但是实际上要实现并不容易 需要解决一些关键技术 振动 一般地面震动是微米量级的 可是要产生稳定隧道电流 间距必须小于1nm 必须严格控制振动 噪声 产生的电流时纳安级别的 因此必须隔绝电子噪声 针尖 如果针尖很钝 就不可能探测到单个原子 达不到原子分辨率 所以针尖必须很尖 样品 样品必须为导体或者半导体 对于不导电的样品 也要在表面覆盖一层导电膜 对该导电膜也有很高的要求 另外还需要恒温 恒湿 超净环境来进行纳米加工 纳米加工的关键技术 3 机床以及工具纳米加工对机床的要求有 高精度 要求机床有高精度进给系统 实现无爬行的纳米级进给 有回转运动时 需要保证有纳米级回转精度 高刚度 要求机床有足够高的刚度 保证工件和工具之间相对位置不受外力作用而改变 高稳定性 要求设备在使用过程中应能长时间保持高精度 抗干扰 抗振动 高耐磨性 纳米加工的关键技术 纳米算盘 可虚假使用扫描隧道显微镜 对C60分子进行操纵 从而使得C60在其台阶上只能一个方向运动 从而得到类似中国古代算盘一样的器件 称之为纳米算盘 纳米加工与器件 纳米电子器件 以纳米技术制造的电子器件 其性能大大优于传统的电子器件 工作速度快 纳米电子器件的工作速度是硅器件的1000倍 因而可使产品性能大幅度提高 功耗低 纳米电子器件的功耗仅为硅器件的1 1000 信息存储量大 在一张不足巴掌大的5英寸光盘上 至少可以存储30个北京图书馆的全部藏书 体积小 重量轻 可使各类电子产品体积和重量大为减小 纳米加工与器件 碳纳米管 1991年日本NEC 日本电气 公司意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子 这就是碳纳米管 碳纳米管具有独特的拓扑结构 良好的导电性能 极高的机械强度等优异的光学 电学和机械性能 应用前景十分广泛 纳米加工与器件 半导体集成电路 我们从CPU制造技术的发展可以看出纳米加工技术的进步 从早期的几微米 发展到几百纳米 再到最近刚上市的i系列cpu达到22纳米 一个指头尖大小的芯片就有几亿甚至十几亿个晶体管 简单地说 处理器的制造过程可以大致分为沙子原料 石英 硅锭 晶圆 光刻 平版印刷 蚀刻 离子注入 金属沉积 金属层 互连 晶圆测试与切割 核心封装等 纳米加工技术的应用 纳米加工技术的应用 纳米级微机械 纳米加工技术的应用 纳米存储技术 近期美国科学家已经找到了一种可以大幅提高现有存储密度和存储寿命的技