第5章-电化学沉积与微建造技术

第5章电化学沉积与微建造技术,现代电化学,本章内容,5.1金属电结晶5.2欠电位沉积和电化学原子层外延5.3阳极氧化膜的形成5.4半导体器件加工的电化学方法5.5电化学在微系统制造中的应用,5.4半导体器件加工的光电化学方法,半导体相关知识本征材料：纯硅9-10个9250000.cmN型硅：掺入V族元素-磷P、砷As、锑SbP型硅：掺入III族元素镓Ga、硼BPN结：半导体加工需要一系列的制作流程,N,P,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,半导体器件的制作中的许多工序(如化学抛光、选择性刻蚀、金属化、钝化和氧化膜形成等)都是电化学过程，自20世纪50年代起就被成功地应用。IIIV化合物半导体器件的开发和广泛使用促进了光电化学加工方法成为具有独特优点的新技术。本节拟介绍光电化学加工方法中涉及的电化学原理。,本节主要内容,5.4.1半导体的光腐蚀5.4.2光电化学刻蚀5.4.3光引发的金属化反应5.4.4电流加倍效应与光化学刻蚀,5.4.1半导体的光腐蚀,半导体光腐蚀是光电化学能量转换装置中遇到的难题，但被发展成为微电子加工中的光电化学刻蚀技术。为此，首先要简单讨论一下半导体的热力学稳定性和腐蚀动力学。1、半导体的热力学稳定性与金属不同，半导体腐蚀可表现为阳极溶解或表面的阴极还原。阳极溶解的速度决定步骤以空穴为反应剂，而阴极还原的速度决定步骤以电子为反应剂。表面上存在空穴相当于价带的成键轨道失去电子，从而削弱邻近原子间的化学键，并使这些原子易于同溶液中的亲核反应剂作用而从固体上溶解。另一方面，如果导带电子占据反键轨道，同样会使邻近原子间的化学键削弱，并使这些原子易于同溶液中的亲电反应剂作用。,二元化合物半导体MX的分解可表示为：(5-67)(5-68)Y-和A2+分别为溶液中的阴离子和阳离子。反应(5-67)和(5-68)实际上是不可逆的，然而从热力学的角度，可将它们视为可逆的并赋予氧化还原电位的数值。当用氢电极作为参比电极时，其半电池反应可表示为:(5-69)(5-70)若将反应(5-67)和(5-69)组合为电池反应，则由该反应的自由能变化G1可求相对于氢电极的标准氧化还原电位值,（1）半导体氧化或还原热力学电位,由G1可求相对于氢电极的标准氧化还原电位值pdec：类似地，将反应(5-68)和(5-70)组合为电池反应，则由该反应的自由能变化G2可求相对于氢电极的标准氧化还原电位值ndec:利用热力学方法求出的pdec和ndec分别被称为半导体被空穴氧化或被电子还原的热力学电位。,（2）半导体的分解能级,与定义溶液中氧化还原体系的Fermi能级一样，由pdec和ndec可定义半导体的分解能级pEdec和nEdec，它们常被用于判断固体的热力学稳定性。一般地说，暗态下：如果EvsnEdec，容易发生阴极腐蚀。对不同的半导体材料而言，pEdec和nEdec在能级图上位置可能有4种情况，如下图所示。,(a)相当于热力学上绝对稳定的半导体;(b)表示材料具有抗阴极分解的稳定性;(c)表示材料具有抗阳极分解的稳定性;(d)表示材料对阴极分解和阳极分解都不稳定,2、半导体的腐蚀,半导体腐蚀是一个多步骤过程，下图所示为元素半导体阳极溶解的基元过程，图中A表示表面上的一个原子，它与2个-OH成键。阳极溶解过程分步进行：第一个步骤：固体俘获空穴生成表面自由基。第二个步骤：表面能级Et中的电子进入价带(当表面有较多空穴时)或进入导带。,固体俘获空穴生成表面自由基。由于此时表面原子A与固体之间的化学键大为削弱，表面自由基的能级位于价带之上(如Et所示)。,表面能级Et中的电子进入价带(当表面有较多空穴时)或进入导带(当Et与Ecs接近时)，但只有狭禁带半导体(如Ge)较易发生导带过程。,上图只表示阳极溶解的主要步骤，在多数情况下元素半导体的阳极溶解需要4个电荷参与，反应步骤更为复杂。上述的基元过程原则上适用于化合物半导体，但不同材料的情况不尽相同。,注意,阳极溶解电流,暗态时，阳极溶解的电流j+与表面空穴密度ps成正比光照下，有光生空穴参加阳极溶解反应，其反应速度必须由产生空穴电流Jp的传输关系式和连续性方程求出,空穴密度,空穴迁移率,空穴产生速度,空穴复合速度,空穴扩散系数,5.4.2光电化学刻蚀,1、化学刻蚀与光电化学刻蚀（1）化学刻蚀在器件制作的许多步骤中起重要作用,常见湿法蚀刻技术,刻蚀的目的：获得具有理想平滑表面的样品除去晶体缺陷和不同掺杂密度的样品区精确地分离出集成电子器件的活性区域单晶晶片通常要用金钢锯切割成薄片，然后机械抛光至镜面的光泽度，这个过程破坏了固体表面附近的有序晶体结构，因此必须通过刻蚀反应除去。,（2）光电化学刻蚀原理：基于光照下电子浓度的变化，光照强度与外加电位决定着半导体阳极溶解和腐蚀的速度。如在阳极极化区内受光照的n-型半导体，刻蚀速度可用空穴供给到表面的速度加以控制。既然光照是半导体内空穴的附加来源，受光照的区域溶解得较快，而未受光照的区域溶解速度较低且是相对固定的。,2、光电化学加工方法的优点（1）使用能量相对较低的反应剂(如可见光)，可实现无损伤的加工；（2）光电化学反应速度通常与光强度成正比，容易实现反应速度的空间变化，而且由于光电流和反应速度成正比，过程便于监控；（3）通过限制入射光的波长，可使多层异质结构进行选择性加工。（4）半导体电学和光学性质的变化会导致电子-空穴的产生或复合，这些原理直接用于缺陷分析和质量检验。,光电化学刻蚀的例子-衍射光栅的形成,光栅的定义广义地说，具有周期性的空间结构或光学性能（如透射率、折射率）的衍射屏，统称为光栅。1、在一块不透明的障板上刻出一系列等宽等间隔的平行狭缝一维透射光栅。2、在一块很平的铝面上刻一系列等间隔的平行槽纹反射光栅。,光电化学刻蚀的例子-衍射光栅的形成,原理是让电解液中的半导体样品表面受两束相同波长和强度、相同入射角和入射平面的相干光的照射光的干涉作用在界面上产生了明和暗间隔的区域(“指纹”)，致使表面上的不均等腐蚀，从而获得表面浮雕。,必须指出的是，禁带宽度小的半导体如InAs，Eg=0.36eV)，由于室温下热产生的空穴浓度比较大，暗态阳极饱和电流较高，进行选择性的刻蚀较为困难，这时要求通过合适选择温度和严格控制阳极极化电位来改变操作条件，降低温度显然有利于减少热产生的空穴浓度。,光电化学刻蚀存在的问题,多层结构刻蚀遇到的主要问题是p-型半导体不能直接进行选择性刻蚀。p-型半导体的少数载流子是电子，而电子不能直接导致半导体晶格的溶解，需要采取电位阶跃的光刻蚀方法。如p-InP的加工，先用第一个电位阶跃c(如-0.8V)使半导体进行光还原:然后引入第二个电位阶跃a(如0.1V)使不溶性光还原产物In被多数载流子氧化:采用交替的电位阶跃。原则上可实现对p-型半导体的加工。其中关键的参数是a，其值太负无法使不溶性光还原产物溶解，其值太正可能会造成p-InP的不必要腐蚀。,5.4.3光引发的金属化反应,光照下产生电子-空穴对可用于引发晶格溶解之外的反应如：用于GaAs场效应晶体管连接件的Au的沉积GaAs中的光生电子-空穴对引起半导体晶格的溶解，而电子进入体相并在场效应晶体管源接触处使Au(CN)-还原，于是整个晶片被金属化而无需其他的电接触。金的还原电位是一个重要因素，因为半导体内必须形成耗尽层使得空穴能够迁移至半导体/溶液界面，而电子能够迁移至金属/溶液界面。,利用光生载流子作为反应推动力的优点:不需要电接触便可对电隔离的区域进行加工;化学反应的速度由照射强度所控制;化学反应的程度可以由被氧化材料的体积等参数控制。,5.4.4电流加倍效应与光化学刻蚀,1、电流加倍效应(current-doubling)指半导体吸收1个光子导致固体/溶液界面上2个载流子参与电荷传递的现象。以H2O2等氧化剂在p-型半导体上的还原为例说明电流加倍效应的本质。H2O2还原的总反应为：电子传递可能是分步进行的，即,两个分步反应不是发生在同一能带上，而是分别发生在两个能带上。p型材料上H2O2的还原可表示为：(5-78a)(5-78b),二当量氧化剂还原或还原剂氧化普遍规律,p型半导体上二当量氧化剂O的还原机理为n型材料上二当量还原剂R的氧化机理为由于光照产生的电子和空穴同时参与半导体电极上的电荷传递反应，在光强度不变的条件下，二当量反应剂反应产生的光电流是一当量反应剂(即反应电子数为1的物质)反应时的2倍。,然而必须指出，在某些具体的实验体系中，因自由基中间物发生其他反应而未能全部参与第二步电荷传递反应，这时产生的光电流可能小于2倍，如碱性溶液中BrO-在p-GaP上还原的光电流倍数为1.7，而酸性溶液中Br2在p-GaP上还原的光电流倍数为1.8。另一方面CrO3/HF溶液中的Cr(VI)在p-GaAs上还原的光电流倍数达到9。,注意,2、光化学刻蚀,许多化学刻蚀剂都是引起电流加倍效应的物质；而光照也会加速开路条件下刻蚀剂溶液中半导体的腐蚀速度；与5.4.2所述的情况比较，氧化剂引入溶液中起着阳极极化的作用。因此，有关电流加倍效应和化学刻蚀剂作用的研究受到人们的重视。,H2O2、S2O82-、Br2、I2(酸性溶液中)和ClO-、BrO-(碱性溶液中)等氧化剂在p型半导体上还原的大量研究表明:不同氧化剂存在时的刻蚀过程都包含一个共同的步骤，即氧化剂在半导体上发生解离吸附，随后向表面注入1个空穴。在这个步骤中，中间物的形成决定着所有续后反应步骤的速度。,形成的表面中间态可能经历不同的反应：进行空穴注入(速度常数用kp表示)电子俘获(速度常数用ke表示)如果自由基OH接受固体表面原子的另一个价电子，则表面键被破坏，即发生化学刻蚀(速度常数用kc表示)。这3个速度常数的相对大小与固体表面的电子密度有关，因而有关的分析有助于光化学刻蚀条件的选择。不过迄今化学刻蚀主要凭经验操作，尚缺欠理论的指导。,5.5电化学在微系统制造中的应用,5.5.1引言5.5.2电化学在微系统制造中的应用,5.5.1引言,1、何为“微系统”？微系统泛指体积十分微小，且可批量制作的具有多种功能的系统。它集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通讯和电源等于一体。“微系统”是欧洲惯用词，在美国则称“微型机电系统(microelectro-mechanicalsystem,简称MEMS)”。,安捷仑公司的Bioanalyzer样品处理、分离、检测、分析集成于一体,LabonaChip,微系统技术是一种多学科交叉的前沿性领域，几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。微系统是新原理和新设计的探索，其发展可能引起一次新的技术革命。有人曾把它比作20世纪50年代的半导体IC技术，认为它将对21世纪的科技发展及人类的生产和生活方式带来深远的影响。,2、微机械加工技术的发展历史,1959年，诺贝尔物理学奖获得者RichardFeynman（理查费曼）于美国物理学会年会讲演，Thereisplentyofroomatthebottom书本上的字句可以缩小25000倍1/64英寸的电动马达制造技术将沿着从大到小的途径发展，即用大机器制造出小机器，用小机器制造出更小的机器，进而在微小尺度领域批量生产出一代代的加工工具。,20世纪60年代以来，微电子技术发展使集成电路芯片尺度不断缩小，同时硅加工技术也渐趋成熟，激发人们探索微观尺度制造技术的下一个突破70年代中期，美国Kulite压力传感器公司开始采用硅各向异性腐蚀(aniso-tropicetching)的方法，代替机械研磨的方法制作用于压力传感器的硅膜。膜尺寸小至几百微米，厚度薄至微米级。这种技术后来被称为微机械加工(micromachining)技术。借助于该技术，压力传感器质量大大提高，而且可以大批量生产，成本下降，80年代中期在美国形成可观产业。,80年代初，荷兰的S.Middelhoek、美国的R.muller，美籍华裔学者葛文勋和张世加等提出了固态执行器(制动器)或微机械执行器的概念。1987年，美国加州大学伯克利分校的范龙生、戴幸昌和R.Muller等人在第4届国际固态传感器与执行器会议上，报道了用表面微机械加工技术制成的多晶硅齿轮，带活动接头的连杆、导轨、滑板和弹簧等微机械部件，国际科学界为之震动。1年后，他们又成功研制了基于硅微加工工艺的静电马达。充分显示了利用硅微加工工艺制造与集成电路兼容的微小可动部件以及制造微小系统的潜力,全世界第一台微马达,中央转子直径120微米，与头发丝直径相近采用静电式驱动，转速在10000rpm以上（SEM照片）,1989年美国国家自然科学基金会召开了微机械加工技术讨论会，肯定了微机械加工以微机电系统为目标的研究方向，投入巨款予以资助，导致该领域的形成。,3、微系统的组成,微系统一般可分成几个独立的功能单元：输入：物理或化学信息；传感器：通过合适的传感器转换为电(光)信号；信号处理：经过信号处理模拟和/或数字)后；执行器：通过执行器与外界作用。每一个微系统还可采用数字或模拟信号(电、光、磁等物理量)与其他微系统进行通讯。,微系统的组成,如果把集成电路芯片视为可接收、处理和发送信息的控制器官大脑；微系统则是含有大脑、五官以及四肢的复杂综合体。,近年来配置有微光学部件的微型光机电系统(MOEMS)和微型生化分析系统迅速发展成为该领域的新热点。在微系统这一新兴领域中所产生的新名词不断出现，微系统逐渐被认为是较好地归纳和代表种类繁多的各系列产品的统称。,特点：多功能、快速、高效、低耗和便携性应用：生物、化学、环境、药品、食品、医疗等领域具有广阔的市场化前景,批量化集成化便携化质量高,芯片的主要设计参数,微管道宽度50微米,深度50100微米长度310厘米微电极工作电极宽度50微米工组电极离管道出口处距离50100微米,MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统(ABS)、稳定控制和玩具微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、光谱分析、信息采集等等已经制造出尖端直径为5m的可以夹起一个红细胞的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等,4、微系统技术的应用,MEMS技术的应用,空间应用用作运行参数测量的微加速度计已进行了地面辐照实验，正在进行飞行搭载实验微陀螺、微推进和微喷管等微系统基础研究通信方面光通信正在向有光交换功能的全光通信网络方向发展无线通信则要求增强功能（如联网等）和减小功耗。包括美国朗讯公司在内的一些公司和大学正在研究全光通信网用的微系统及无线通信用射频微系统,MEMS技术的应用,在生物医学方面，将光、机、电、液、生化等部件集成在一起，构成一个微型芯片实验室，用于临床医学检测，为医生甚至家庭提供简单、廉价、准确和快捷的检测手段光显示、高密度存储、汽车、国防等微系统。,MEMS技术的应用,美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄电池外全由硅片构成，直径仅15cm,5、微系统的研究领域,理论基础：随着MEMS尺寸的缩小，有些宏观的物理特性发生了改变，很多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等等，微动力学微流体力学微热力学微摩擦学微光学微结构学,微系统的研究领域,技术基础：设计、工艺加工(高深宽比多层微结构)、微装配工艺、微系统的测量等。应用研究：如何应用这些MEMS系统也是一门非常重要的学问。人们不仅要开发各种制造MEMS的技术，更重要的是如何将MEMS器件用于实际系统，并从中受益。,6、MEMS的分类,类别较多，微传感器，微执行器，微型构件，微机械光学器件，真空微电子器件，电力电子器件微传感器：机械类：力学、力矩、加速度、速度、角速度(陀螺)、位置、流量传感器磁学类：磁通计、磁场计热学类：温度计化学类：气体成分、湿度、PH值和离子浓度传感器生物学类：DNA芯片,MEMS的分类,微执行器：微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等微型构件：微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等微机械光学器件：微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等,MEMS的分类,真空微电子器件：是微电子技术、MEMS技术和真空电子学发展的产物，具有极快的开关速度、非常好的抗辐照能力和极佳的温度特性。主要包括场发射显示器、场发射照明器件、真空微电子毫米波器件、真空微电子传感器等电力电子器件：包括利用MEMS技术制作的垂直导电型MOS(VMOS)器件、V型槽垂直导电型MOS(VVMOS)器件等各类高压大电流器件,5.5.2电化学在微系统制造中的应用,1、电化学沉积（电镀和电铸）2、电化学刻蚀：约束刻蚀剂技术3、其他方面的应用1、电化学沉积（电镀和电铸）(1)芯片内部金属化(onchipmetalization)(2)半导体封装技术(3)LIGA(lithografiegalvanoformungabformung)技术(4)EFAB(electrochemicalfabrication)技术,(1)芯片内部金属化(onchipmetalization)半导体芯片是微系统的核心部件，具有强大功能且尺寸细小的微芯片是人们追求的目标。,3GiPhone基带芯片,自从20世纪60年代集成电路问世，半导体芯片上的连线长期采用铝膜。随着集成度的不断提高，连线的线宽变得越来越窄，从当初的几微米变为亚微米，继而减到0.35um。铝导电率较小，这个线宽已达到其极限,用Cu代替Al布线可使电阻率降低45%，同时降低线间电容，有利于提高整个系统的可靠性。1997年IBM公司，电沉积Cu代替Al作为连线制作出新一代微芯片。1998年线宽为0.25um的Pentium微处理器正式投入大规模生产。,2003年用电沉积Cu工艺制作的CPU的线宽已达0.13um，Pentium微处理器的主频达到了3.0GHz。Cu布线工艺的关键是如何在十分狭窄的沟道(damascene)中电沉积Cu而避免空洞(void)或缝隙(seam)等缺陷的生成IBM公司的研究人员经过近10年的研究，通过在电解液中加入合适的添加剂，使电镀时Cu膜从沟道的底部逐渐向上生长，解决了这一难题。,(2)半导体封装技术,半导体芯片制成后，要经过芯片固定、引线键合以及隔离保护的一级封装过程，再进行在电路板上固定连接的二级封装过程。,早期封装多为插装,SMT（表面贴装）,电子封装对实现器件的微型化和高性能化起着关键作用，而电化学是电子封装的许多过程中的支撑技术。如高密度多层印刷电路板(PCB)和许多引线的制作，都采用电沉积技术。为了实现器件的超微型化和超高性能化，目前封装技术正在从平面化向立体化发展。,下图为日本超先端电子技术开发机构(ASET)所提出的三维封装模式。图中显示的硅片厚度只有50um，约为一张普通A4纸那么厚。芯片层叠后，需要通过一根贯通电极来连接，它是长度为70um，边长为10um的长方柱。这样的长方柱只有用电化学沉积法来制作。,1-贯通铜电极；2-芯片；3-接片；4-连接板；5-焊接球,右图所示为在含有几种添加剂的酸性镀铜溶液中电沉积出的一排贯通电极(中心间距为20um)的剖面图。1-硅芯片；2-电沉积铜,(3)LIGA(lithografiegalvanoformungabformung)技术,常规的半导体工艺只能制作深宽比(aspectratio)很小的简单立体图形。在微系统制作工艺中，十分需要加工具有较高深宽比的器件。德国科学卡尔斯鲁厄核研究所的科学家巧妙地把X射线同步辐射掩膜刻蚀和电化学铸模结合在一起，于20世纪80年代末发明了LIGA。该技术可制作出尺寸为10um、深宽比达50:1的微器件，并实现对塑料、陶瓷等材料的微细加工。,LIGA工艺基本流程,LIGA技术制作的一个立体构件,准LIGA工艺,由于LIGA技术需要昂贵的同步X射线源，其推广应用受到较大的限制。近几年来人们把近紫外光刻扩展应用到厚层光刻胶，发展了分辨率为微米级的准LIGA工艺。准LIGA工艺可以制作镍、铜、金、银、铁镍合金等金属结构。还可用牺牲层释放金属结构，制作可动部件，并进行多层套刻，制作较复杂的结构。利用准LIGA工艺已制作出微金属齿轮、微电机、微加速度计和微陀螺等。,DEM(deepetchingelectroformingmicroreplication)技术,最近上海交通大学陈迪研究组开发出的一种全新的准LIGA技术，被称为DEM技术。该技术采用硅深层刻蚀、模具电铸和真空热压工艺进行金属和塑料三维微结构的加工和制备。与LIGA技术和基于SU8的UV-LIGA技术相比，优点在于不需昂贵的同步辐射光源和X光掩模板，不存在光刻胶与基板的黏结和负胶去胶等问题。,(4)EFAB(electrochemicalfabrication)技术,EFAB是美国南加州大学信息科学研究所AdamCohen教授研究组在1999年发布的、采用电化学方法制作三维多层微结构的技术。基本原理：先用3DCAD软件将要加工的图形分解成一系列适用于制作成光刻膜板的二维图形并由此制成由金属阳极和绝缘材料组成的特殊系列模具(instantmask)，接着在电解槽中将所需金属以及牺牲层金属按照模具的图形一层层分别电沉积出来，最后将牺牲层金属溶解，便得到所要的图形。虽然EFAB技术还在发展之中，但由于其潜在的应用价值，“EFAB”已被南加州大学注册了商标。此外，Cohen教授于2002年成立了一个基于该加工技术的高科技公司(Microfabrlea)，并任该公司的CEO，开始了市场化运作。,EFAB工艺流程示意a)用instantmask选择型电沉积第一种金属；(b)第一种金属沉积之后；(c)在空隙中沉积第二种金属；(d)抛光磨平；(e)重复制作几层之后；(f)溶解掉第一种金属,上图用EFAB技术制作的一个12层的镍微链，总高度约为96um。,2、电化学刻蚀：约束刻蚀剂技术,某些结构较复杂、功能性较强的微系统，需要使用某种具有复杂曲面的三维图形的微器件。倘若采用EFAB技术制作球(锥)面结构，需要制作很多模板，制作时间将大大延长。此外，如果其尺度要求在亚微米或更小，EFAB技术更难满足要求。为了解决这一问题，厦门大学田昭武教授研究组提出了用约束刻蚀剂层技术(confinedetchantlayertechnique，简称CELT)加工复杂三维图形的新技术。,CELT(confinedetchantlayertechnique技术基本原理,(6-81a)(6-81b)(6-81c)(6-81d)(6-81e),加入捕捉剂，与刻蚀剂立即反应,S-捕捉剂；M-金属Y和P-反应产物,产生刻蚀剂,O-刻蚀剂R-其还原态,刻蚀剂寿命极短,模板靠近被加工样品时，约束的刻蚀剂与待加工的表面发生反应,电化学反应(6-81a)或光电化学反应(6-81b)在具有高分辨率的复杂三维图形的模板表面产生刻蚀剂通过在溶液中加入捕捉剂而迅速地与刚产生的刻蚀剂发生均相反应(6-81c)。刻蚀剂的寿命极短(用6-81d表示)，几乎无法从模板表面往溶液深处扩散，因此把刻蚀剂约束在靠近模板表面轮廓的很小区域内。当模板十分靠近被加工样品时，约束的刻蚀剂方可与待加工的表面发生反应(6-81e)，加工出的图形就与模板呈互补关系。,CELT加工过程示意,CELT特点,最大特点：加工出的图形表面具有连续性，可加工出球面、锥形等复杂的三维图形；可以批量复制；可加工各类材料；具有距离敏感性，对被加工材料的表面粗糙度要求不高。,(a)-CELT用的模板；(b)-在GaAs上加工出的复杂三维图形,(a)具有复杂图形的模板；(b)复制加工的铜表面微结构；(c)复制加工的铝表面微结构被加工的金属的2个图形，二者形状几乎完全相同。,3、其他方面的应用,除微系统的加工制作外，电化学在其他方面也将大有作为许多微系统中电源的重量约占了整个体系重量的1/51/4。目前所制作的微型飞机的总重量为100g左右，其中电源重量就超过20g。,为了探测心脏的血液供给以及心肌状况，需要将一根光纤插入血管直通心脏，并用大型仪器实时检测。将来则很可能将只有几十个微米大小的医疗机器人直接放入人体血管内，它不仅用于实时检测，而且可同时用于治疗，如清除阻塞在血管中的血块等。因此与微机器人合为一体的微型电源的研制将是该项尝试成功与否的关键。若能巧妙地制作以血液中的糖分和氧气等物质作为原料的燃料电池，则有望克服上述的困难。总之，开发体积更小、比能量更高的各类微型电池是赋予电化学的又一个重要任务。,超微机器人相扑赛,多功能柔性微机器人,两栖微机器人水上行走,由于微系统中各基本单元的尺度在(亚)微米级，且其表面积与体积的比值远大于常规系统，在许多情况下表(界)面的微观(原子至纳米尺度)性质严重影响着微系统的性能。近年来随着微化学仪器和生物芯片在微系统领域中的地位日益重要，固液界面的(电)化学和物理性质成为研究微系统中的微通道流体力学的关键因素之一。在21世纪最初的10年里，芯片上的微电泳仪、微重金属探测仪、微血液分析仪等系统将会在市场上出现。,JS94H微电泳仪,研究极微小尺度体系的电化学问题是十分必要的，例如在微米至纳米尺度下的强电场中分子行为的规律和控制的研究，可能对微系统中利用施加电压控制微量流体输运具有重要的指导意义。表面和微通道的微观现象以及表面的化学修饰和改性需受到充分的重视。此外，微系统中对化学及生物物质进行传感，离不开电化学(生物)传感器。,5.5.3微系统在电化学中的应用,微系统技术的历史尚短，它在各个方面的应用刚刚开始，似乎还没有直接应用于电化学的具体例子，现仅用几个相关的例子予于讨论，以起抛砖引玉的作用。,硅机械加工工艺是微系统技术的重要组成部分，其成功应用的例子要数原子力显微镜(AFM)。因为AFM仪器的核心部件是硅微机械探针和硅微机械悬臂系统。,电化学原子力显微镜(ECAFM)对样品的导电性高低没有特殊的要求，不会出现电化学扫描隧道显微镜(ECSTM)实验中因针尖在样品绝缘区上方逼近或扫描所发生针尖碰撞表面而导致实验失败的问题。AFM针尖端的形状和尖锐程度决定了所获得的电极表面图像的分辨率和清晰度。ECAFM已在电解液体系中金属及其氧化物的表面结构、欠电位沉积过程、腐蚀机理、AFM探针增强或诱导导电聚合物的电化学