中科大微细加工技术课件第5章 其它微细加工技术

第五章其它微细加工技术本节着重讨论化学刻蚀和化学抛光的微细加工方法。化学刻蚀是以照相制版技术为基础发展起来的一种加工方法。它适用于对厚度从数十微米到数百微米的薄片或几微米乃至亚微米的薄膜进行打孔、开槽、雕刻等微细加工。这种方法不会出现加工变形、加工硬化、飞边和毛刺等现象，而且不受材料硬度的限制，因此在精密电子器件及精密机械零件的生产中获得广泛的应用。化学抛光能有选择地溶解材料表面上那些微小的凸出部分。采用此法的设备简单，且被抛光的零件尺寸和数量只受抛光槽大小的限制，因此适于大面积抛光和在多件处理的情况下使用，也可对各种半导体材料进行抛光。第一节化学方法的微细加工一、化学刻蚀

1．一般化学刻蚀

金属材料和强酸碱等刻蚀液一经接触，由于发生氧化还原反应而被溶解。当将表面上覆有光刻胶图形的材料和刻蚀液接触时，没有受到光刻胶保护的地方渐渐洼了下去，不久就穿透成为窗口。若使刻蚀一直进行到窗口部分的尺寸达到所要求的大小为止，就能得到符合规格的产品。作为铁、铜、不锈钢等常用材料的刻蚀液，广泛使用三氯化铁(FeCl3)。各种材料的刻蚀液如表1—2所示。侧面刻蚀”或“钻蚀”刻蚀不仅沿厚度方向，而且也沿横方向进行，一般称为“侧面刻蚀”或“钻蚀”。

由于存在侧面刻蚀，使刻蚀成的窗口常比光刻胶窗口尺寸大些。为了修正，就要从设计值中减去刻蚀余量。刻蚀余量的大小与被加工材料、刻蚀液的种类及被加工材料的厚度等许多因素有关，须用实验来确定。侧面刻蚀越小，刻蚀系数越大，则刻蚀部分的侧面越陡，因此产品尺寸的精度就越稳定。

双面刻蚀

双面刻蚀比单面刻蚀的侧面刻蚀量明显减少，故可使刻蚀系数得到改善，且还具有使刻蚀时间缩短一半的优点。因此，当需要加工贯通窗口时，往往进行双面刻蚀

刻蚀的方式对于刻蚀系数有很大的影响。静止的刻蚀液，因循环不善，故反应也迟钝。如果用一定压力进行喷吹，则因反应面上刻蚀液的供给状况获得改善而使刻蚀的速度提高，则刻蚀系数也相应增加。因此：最近广泛使用一种用泵加压，使刻蚀液以喷嘴喷出的喷雾刻蚀机。在这类机械中加工材料有垂直夹持的，也有水平夹持的，两者都能从两面喷射刻蚀液，而且喷射时喷嘴作扇状摆动，以便对全部加工面进行均匀的刻蚀。

2．电解化学刻蚀

将表面覆盖有光刻胶图形的材料放进电解液中，接到阳极上，再以铅等作阴极进行电解，就会因阳极氧化作用而产生刻蚀(图1—10)。这种加工方法只能加工金属材料，并采用表1—3的电解液。此法的技术难点较多，例如难以使电流密度保持均匀；由于过电压作用，被加工材料的刻蚀面会被钝化，因而会使刻蚀停止等，故不适于批量生产。但若采用与电解抛光相近的条件进行处理，则能得到非常光滑的刻蚀表面，其侧面刻蚀量与一般化学刻蚀大致相同。

3．剥膜与精整

如果窗口部分的尺寸通过刻蚀达到了规定的尺寸，就要进行充分的水洗，以便把刻蚀液全部除去，并立即进入剥膜液中。对水溶液性光致光刻胶使用的剥膜液是加热的碱溶液，而溶剂型光致光刻胶则使用规定的溶剂剥膜液。光刻胶一经和剥膜液接触便很容易分离或溶解，所以用水洗既能彻底地将光刻胶的残渣或药品残渣除去，此后再甩去水分并用热风干燥。如果使用的是表面易于被氧化的材料，则在浸渍了热水和酒精之后即进行干燥，便能得到没有水迹的清洁表面。二、化学抛光

所谓化学抛光就是有选择性地溶解材料表面微小凹凸中的凸出部分，从而使表面光滑的一种加工方法。由于这种方法能出现化学光泽，所以自古以来就被称为光泽浸渍，并广泛应用于铜合金等的表面处理。近年来对不同金属适用溶液的研究成功，使化学抛光有了很大的发展。化学抛光的设备比较简单，所能抛光的零件尺寸和数量仅受抛光液槽大小的限制，这对于大面积或多件处理是有利的，且对于复杂形状工件容易得到均匀的抛光效果。

1．化学抛光的机理 化学抛光时，为何工件表面的凸部比凹部优先溶解，这就要将化学抛光作用的机理分为两个阶段来认识。在抛光过程中，如果是去除较粗糙的表面不平度，即相当于能获得平均数为数微米到数十微米的光洁面，，这称为宏观抛光。如果使晶粒间交界附近的结晶体的不完整部分被平滑化，所去除的微小凸凹约为l／100—1／10μm，则称为微观抛光。

设金属板M浸泡在抛光液中。由于材料的不均匀会引起局部电位的高低不一，从而形成局部短路的微电池，使阳极发生局部溶解。在这种情况下，被放出来的电子通过金属内部流到阴极，参与阴极反应(图中的I)。若把金属板通过外接电源和另外的金属板C靠近接在一起，并升高

阳极M的电位，则M中的局部阴极区便逐渐减少(图中的II)，直至完全消失(图中的III)。这时，金属板M作为单一阳极使用的状况就相当于电解抛光。无论是一般的化学抛光或是电解抛光，由于工艺条件及材料本身的影响，都可能像图中的II那样的状态下进行抛光。在材料质地极不均匀的情况下进行电解抛光时，也会出现阳极局部溶解，而在化学抛光时由于短路电池的作用，却能减少局部阴极的影响，但化学抛光时不能完全去除阴极反应的影响，这是化学抛光效果要比电解抛光效果差的原因之一。

2．化学抛光的条件化学抛光最重要的条件是溶液温度和抛光时间。(1)溶液温度溶解速度随着溶液温度的提高而显著增加。此外，强氧化性的酸，例如硝酸、硫酸等，在高温时氧化作用十分显著，在化学抛光中，由于这些酸的溶解作用和氧化作用会同时发生，故在多数情况下都是把溶液加热到较高的温度进行化学抛光的。需要提高温度进行化学抛光的有钢铁、镍、铅等，若温度低于某一定值，就会出现失去光泽的腐蚀表面，故存在着一个形成光泽面的临界点。在临界点以上的某一温度范围内抛光的效果最好，而在这个温度范围内又因液体的组成不同而异。如果高于这个温度范围，会形成点蚀、局部污点或斑点，使整个抛光效果降低。此外，温度越高材料的溶解损失也越大。(2)抛光时间抛光时间过短，难以得到有光泽的表面；抛光时间过长，不仅使材料溶解损失增大，而且使加工表面出现污点或斑点。所以通常存在一个最适当的时间范围，此范围常由实验决定。化学抛光往往同时产生氢气，这在抛光氢脆敏感性材料必须注意的问题。另外，浴温高达100—200°C时，还会发生退火作用。为了把氢脆或退火作用的影响减到最小，必须在最适当的温度范围内选择尽可能短的抛光时间。3.金属的化学抛光为了获得化学抛光的效果，必须使金属表面溶解，并在表面上形成液体膜或固体膜。因此，金属的抛光液必须具有溶解金属和形成保护膜的能力。由于用一种成分来完成上述两种机能是很困难的，因此化学抛光液一般都是由两种以上的成分组成的，其中每种成分都起一定的作用。用作溶解金属的成分一般是酸，其中用得较多的是H2S04、HN03、HCl、H3P04和HF等强酸，而对铝那样的两性金属也有用Na0H的。在这些酸中由于高浓度的磷酸及硫酸都有较高的粘度，有形成液体膜扩散层的作用，故用这一种成分也具有两种功能。这是化学抛光液的组成中，重视采用硫酸或磷酸的理由。为了提高粘度而使扩散层容易形成，可以加进像明胶或甘油之类的提高粘度的添加剂。为了促进固体膜的形成，则可加入以硝酸或铬酸为首的强氧化剂。

4．半导体的化学抛光

各种半导体器件基片的抛光，除了平滑化和光泽化之外，还特别要求整个基片的平坦性。因此，半导体基片在机械研磨平坦后，还要进行最终的化学抛光或电解抛光。在电解抛光时，由于所通过的电流随半导体的电阻率和载流子的符号而变化，因此要对掺杂不均的微细电路基片进行均匀的抛光是相当困难的。然而在化学抛光时，受掺杂不均的影响程度要比电解抛光小得多。另外，在电解抛光时，为了便于对电阻率高的半导体基片通电，必须在其背面全部电镀以接上引线，而化学抛光则不需要通电的手续，故较为方便。关于Ge(锗)和Si(硅)的化学抛光，采用的是HF和HNO3的混合液，并以种种不同的浓度和混合比来使用，其中最常用的配方是：硝酸25ml，氢氟酸15mL，冰醋酸15ml。有时在上述的配方中还加进0．3mL的溴。对于GaAs(砷化镓)或GaP(磷化镓)、InSb(锑化铟)等III—V族化合物半导体的化学抛光，是将C12(氯)或Br(溴)等溶进甲醇及冰醋酸等有机液体中。这样制成的抛光液是很有效的，但对于Si或Ge却不大有效。对上述两种材料均有较好抛光效果的是NaCl或H2O2十NH4OH的水溶液。利用浸泡抛光液进行抛光所得的表面不十分平坦，特别是使基片的拐角变圆滑。为了消除这些缺点，采用旋转抛光盘的方式进行抛光

第二节电化学的微细加工电化学加工是微细加工中的一个组成部分。随着科学技术的进步，人们对它的要求也在急剧增长。如高真度、高可靠和截面形状特殊的工件的复制，以及高硬度、高韧性的耐热钢之类的难加工材料等，都可采用电化学的微细加工。本节着重讨论电铸加工、电解加工、电解磨削和电解抛光的原理和制造工艺。

一、电铸加工

电铸加工是利用电化学阴极沉积来进行加工的一种特种加工方法。

1电铸加工的原理

12345678910电铸加工原理1-电铸槽2-阳极3-电源4-电铸层5-阴极（原模）6-加热器7-搅拌器8-电铸液9过滤器10-泵电铸加工，用可导电的原模作阴极，用电铸材料(例如纯铜)作阳极，用电铸材料的金属盐(例如硫酸铜)溶液作电铸镀液，在直流电源的作用下，阳极上的金属原子交出电子成为正金属离子进入镀液，并进一步在阴极上获得电子成为金属原子而沉积镀复在阴极原模表面，阳极金属源源不断成为金属离子补充溶解进入电铸镀液，保持浓度基本不变，阴极原模上电铸层逐渐加厚，当达到预定厚度时即可取出，设法与原模分离，即可获得与原模型面凹凸相反的电铸件。

2电铸加工的特点能准确、精密地复制复杂型面和细微纹路。能获得尺寸精度高、表面粗糙度小于0.1μm的复制品，同一原模生产的电铸件一致性极好。借助石膏、石蜡、环氧树脂等作为原模材料，可把复杂零件的内表面复制为外表面，外表面复制为内表面，然后再电铸复制，适应性广泛。

精密微细喷嘴的电铸过程1-型芯2-镀铬层3-镀镍层4-内孔镀镍层5-精密喷嘴

车削镀铬镀镍去型芯

12345首先加工精密黄铜型芯，其次用硬质铬酸进行电沉积，再电铸一层金属镍，最后用硝酸类溶液溶解型芯。由于硝酸类溶液对黄铜溶解速度快，且不浸蚀镀铬层，所以，可得到具有光洁内孔表面镀铬层的精密微细喷嘴。二、电解抛光

电解抛光和电镀相反，它是以被处理的工件作阳极，利用阳极的溶解作用，使阳极的凸起部分发生选择性溶解而形成平滑表面的加工方法。电解抛光由于能把电压电流作为抛光的控制参数，故易于操作，因此抛光效果一般优于化学抛光，且在抛光条件的选择与管理上也较方便。电解抛光可用于大多数的金属，也可用于半导体。

1.抛光的机理

在电解抛光过程中，金属离子会聚集在阳极金属表面附近，在金属表面和电解液之间形成一层粘稠的液体膜，此膜一般为数十微米，因而对与此层厚度值大致相同的表面，能使其平滑化，亦即对宏观抛光有效。但利用液体膜要去除1／100～1／10μm的微小凹凸不平就很难了。在光泽化的条件下，抛光面上往往会生成不很明显的固体膜，而这种固体膜的存在，就是要进行微观抛光的原因。这种固体膜一般是氧化物，厚度约0．01μm，处于液体膜和金属表面之间，金属通过此固体膜而溶解。在这样的状态下，金属离子要求在固体膜中无序分布的阳离子空位随之溶解，故能抑制由于金属本身结晶的不完整性而发生的不完全溶解作用，从而使它实现光泽化。2．金属和半导体的电解抛光为了进行电解抛光，必须使金属表面生成液体膜或固体膜，并通过此膜按稳速扩散的速度使金属溶解。为此，电解液必须同时具有溶解金属和形成保护膜的机能。在电解抛光的过程中，是依靠电极反应造成的阳极溶解或阳极氧化的效果来决定的，因此抛光液要求具有高导电性和电镀本领。电镀本领是指电流密度分布的均匀性，使整个表面具有同样良好的抛光性能。H2S04的电镀本领良好，若加进铬酸酐(CrO3)则性能更好，但加HN03则使电镀本领恶化。最常用的电解抛光液是由H2S04和H3P04组成的。

半导体的电解抛光是去除由机械抛光留下的表面缺陷层的最终加工方法。电解抛光比化学抛光费事，但效果好。电解抛光主要有喷射法和旋转抛光盘法两种。喷射法的抛光速度很高，可达100～500μm／min。由于半导体的抛光是通过阳极溶解而使空穴消失的，因此在对n型半导体进行电解抛光时，用强光源从外部对抛光区进行照射而使其产生空穴。旋转抛光法是将旋转的平板状圆盘作为阴极，把被抛光的材料作为阳极，并使其靠近和夹持在圆盘的周边部分进行电解抛光的方法。阴极圆盘有许多各种各样形状的孔或槽，这些孔或槽用于去除极间积存的气体并对电解液产生搅拌作用。采用这样的抛光法，能获得±0．005μm的光洁表面和0．5μm的平面度，并能得到完全没有缺陷的抛光面。第三节粒子束的微细加工一、电子束加工在真空中，将聚焦的电子束照射到物体上，借局部加热可进行打孔或切削加工；另一方面，利用电子束照射所引起的化学变化进行0．1～1μm的电子束光刻加工，即所谓电子束光刻技术，已成为集成电路制造中的一种重要加工手段

化学加工(电子束光刻)

高分子材料一经电子束照射，即使所用的功率密度低到几乎不引起温度上升的程度，也会由于入射电子和高分子相碰撞使分子的链被切断或重新聚合而引起分子量的变化。以正性电子光刻胶聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为例，加速电压为20kV的电子以10-4C／cm2的剂量照射光刻胶时，则分子量为10万的PMMA大分子就被切割为原来的1／20左右。按规定图形进行电子束照射便能产生潜像，若浸入适当的溶剂，则由于分子量不同而溶解速度不一样，就会使潜像显影出来。当用0．3～1μm的光刻胶厚度时，可得到0．1～1μm线宽的图形。电子束加工装置电子束加工装置的基本结构如图1—21所示。电子枪是关键部件。在打孔装置中的电子枪的阴极损耗较大，每20～30h要更换一次。在电子束曝光装置中，如采用LaB6(六硼化镧)作阴极，其寿命可达数百小时以上。电子束装置主要分为两种。一种是电子束扫描型，将聚焦在1μm以内的电子束大约在0．5～5mm范围内自由扫描，则可曝光出任意图形。其基本结构与打孔装置相同，但还要备有用于工件位置测定的激光系统、扫描用的数—模转换系统、束流位置的对准系统等。另一种是使电子束通过原版(一般为比要求大几倍的模版)，再以1／10～1／5的比例缩小投影到电子光刻胶上进行大规模集成电路的曝光。二、离子束微细加工

离子束微细加工是以惰性气体(氩)离子在电场中加速，而以其功能进行加工的方法。离子束加工包括聚焦细束和大面积宽束的离子加工。细束状的离子束射到基片时，能对被照射材料相当于原子或分子级(即大约0．2nm)大小的地方进行去除加工，这称为离子束溅射去除加工。当离子束能量很大时，例如将具有500keV的磷或硼的离子束注入硅片上规定的区域，这就是离子注入。离子束加工必将成为未来微米加工，甚至毫微米加工的主流。宽束状的离子束加工必须采用掩模，将不需要加工的部分覆盖起来，而使离子束照射到需要加工的部分。三、分子束和原子束加工

利用蒸发方法进行镀膜就是分子或原子加工的代表。将热能供给原子或分子，使它达到活化状态，并附着在工件表面的镀膜加工法就是蒸镀加工。如果再增加其附着力，就需要采用外延结晶生长法。另外，利用分子束进行镀膜或结晶生长，也属于这个领域，第四节超声波微细加工

一个作超声振动的工具，其振动频率为15～30kHz、振幅为10～150μm。当工具和工件之间充以浆液，并以一定的静压力(加工压力)相接触时，则工具端部振动可实现磨料对工件的冲击破碎。

超声波加工在本质上是用游离磨料来进行加工，因此可通过选择不同的工具端部形状和不同的运动方法，进行