先進(jìn)制造技術(shù)-微機械及微細(xì)加工技術(shù)

1、五、微機械及微細(xì)加工技術(shù)1、微機械簡介現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展有兩大趨勢：一是向著自動化、柔性化、集成化、智能 化等方向發(fā)展， 使現(xiàn)代制造成為一個系統(tǒng)， 即現(xiàn)代制造系統(tǒng)的自動化技術(shù)。 另一 個就是尋求固有制造技術(shù)的自身微細(xì)加工極限。探索有效實用的微細(xì)加工技術(shù)， 并使其能在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用。微機械由于具有能夠在狹小空間內(nèi)進(jìn)行作業(yè)而又不擾亂工作環(huán)境和對象的 特點，在航空航天、精密儀器、生物醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用潛力，受到世界 各國的高度重視并被列為 21 世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之首。比如，美國宇航局投資 1 億 美元著手研制“發(fā)現(xiàn)號微型衛(wèi)星” ；說明： 衛(wèi)星有大型、小型衛(wèi)星、微型衛(wèi)星和納米衛(wèi)星，區(qū)別是：小型

2、衛(wèi)星為一種可 用常規(guī)運載器發(fā)射的航天器，質(zhì)量為100500kg;微型衛(wèi)星定義為所有的系統(tǒng)和子系統(tǒng)都全面體現(xiàn)了微型制造技術(shù)，質(zhì)量為 10100kg;納米衛(wèi)星是一種尺寸 減小到最低限度的微衛(wèi)星，質(zhì)量為 110 kg。在航天發(fā)展史上，由于受運載能力及技術(shù)水平的限制，早期研制的衛(wèi)星都 采用小衛(wèi)星方案，其重量只有幾十千克。 70年代末，由于大推力運載火箭的研 制成功和設(shè)計與制造能力的提高，大型多功能衛(wèi)星開始出現(xiàn)，衛(wèi)星體積不斷增 大，功能也越來越復(fù)雜。隨之而來的是成本不斷攀升，風(fēng)險逐漸增加。如一枚 “大力神”“半人馬座”運載火箭連同所發(fā)射的偵察衛(wèi)星價值可達(dá) 10.5億美 元以上，一旦發(fā)射失敗就會造成嚴(yán)重的

3、損失。 而且，衛(wèi)星一旦被淘汰，形成嚴(yán) 重的太空污染。 為此，航天界又將目光重新投向了小衛(wèi)星。由于技術(shù)的進(jìn)步，特別是微電子技術(shù)的進(jìn)步，新一代的小衛(wèi)星采用了許多小 型高性能電子部件， 但它們同樣具有一些大型衛(wèi)星才有的功能， 并為小衛(wèi)星進(jìn)一 步微型化，進(jìn)而為微型衛(wèi)星、納米衛(wèi)星的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。納米衛(wèi)星的概念最早是由美國宇航公司于 1993 年在一份研究報告中首次提 出的，它帶來了小衛(wèi)星設(shè)計思想上的根本變革。 納米衛(wèi)星是以微機電一體化系統(tǒng) (MEMS) 技術(shù)和由數(shù)個 MEMS 組成的專用集成微型儀器 (ASIM) 為基礎(chǔ)的一種全 新概念的衛(wèi)星，重量在 10千克以下，甚至可降低到 0.1 千克以下。微小

4、型衛(wèi)星具有研制周期短、 更新?lián)Q代快、 造價低、能快速發(fā)射等諸多優(yōu)點， 特別適用于在局部戰(zhàn)爭中的戰(zhàn)區(qū)通信和對戰(zhàn)區(qū)進(jìn)行短期偵察、 監(jiān)視和跟蹤等。 面 對未來局部戰(zhàn)爭時間上的突發(fā)性、 戰(zhàn)爭爆發(fā)地點的不確定性和戰(zhàn)場瞬息萬變等情 況，這些都需要戰(zhàn)場指揮員根據(jù)具體要求應(yīng)急發(fā)射小衛(wèi)星，并在2472 小時內(nèi)完成部署。目前的納米衛(wèi)星大多還處于演示和試驗階段，一旦真正投入實際應(yīng)用以后， 由于其技術(shù)已經(jīng)成熟，衛(wèi)星生產(chǎn)成本將降低，并且由于其重量輕、體積小，可一 箭多星發(fā)射， 發(fā)射成本也將大大低于一般衛(wèi)星。 另外，衛(wèi)星的研制將不再需要大 型的試驗設(shè)施和廠房， 可以在大學(xué)或研究所的實驗室里研制， 研制費用也大大降 低。研

5、制、生產(chǎn)和發(fā)射成本的降低，將促進(jìn)其商業(yè)化。1、1 微機械的特點微機械之所以受到人們的關(guān)注，是因為它具有誘人的特點：(1) 體積小、重量輕、精度高。 其體積可小至亞微米以下(小于 20 微米，人眼已 不能分辨)，重量可輕至納克，尺寸精度可高達(dá)納米級。已經(jīng)制出了直徑細(xì)如發(fā) 絲(頭發(fā)絲的直徑約0.07mm)的齒輪、能開動的3mm大小的汽車和花生米大 小的飛機。注：螞蟻腿上的齒輪：螞蟻身長約 3.6 毫米，腿的直徑約 0.16毫米(2) 性能穩(wěn)定、可靠性高。 由于微機械器件的體積極小，幾乎不受熱膨脹、噪聲 及撓曲變形等因素的影響， 因此具有較高的抗干擾能力， 可在較差的工作環(huán)境下 穩(wěn)定地工作。(3)

6、能耗小、響應(yīng)快、靈敏度高。 完成相同的工作，微機械所消耗的能量僅為傳 統(tǒng)機械的十幾分之一或幾十分之一，而運作速度卻可達(dá)其 10倍以上。如微型泵 的體積可以做到(5mm x 5mm X 0. 7mm),遠(yuǎn)小于小型泵，但其流速卻可達(dá)到小 型泵的 1000倍。由于機電一體的微機械不存在信號延遲等問題，因此更適合高 速工作。(4) 多功能化和智能化，既能感知環(huán)境又能控制環(huán)境 。許多微機械集傳感器、執(zhí) 行器和電子控制電路等為一體， 特別是應(yīng)用智能材料和智能結(jié)構(gòu)后， 更利于實現(xiàn) 微機械的多功能和智能化。(5) 適于大批量生產(chǎn)，制造成本低廉。 微機械能夠采用與半導(dǎo)體制造工藝類似的 生產(chǎn)方法， 像超大規(guī)模集成

7、電路芯片一樣， 一次制成大量完全相同的零部件， 因 而可大幅度降低制造成本。 如美國的研究人員正在用該技術(shù)制造雙向光纖通信所 必須的微型光學(xué)調(diào)制器。 通過巧妙的光刻技術(shù)制造芯片， 做一塊芯片只需幾美分， 而過去則要花 5000 美元。1、2 微機械的優(yōu)勢從功用上看，微機械具有以下一般機械所不能及的優(yōu)勢：(1) 首先表現(xiàn)在活動空間、操作對象和工作環(huán)境上。微機械能夠進(jìn)入極狹小的空 間進(jìn)行作業(yè)，且不易對環(huán)境造成不必要的影響與破壞。在醫(yī)學(xué)上，微機械可游弋于人體血管，去清除血栓或其它病理組織；在工程 上，可以進(jìn)入精密機械或儀器內(nèi)部進(jìn)行故障檢修或其它操作。微機械還可以面對很脆弱、 易損傷的工作對象， 例如

8、接通大腦中的細(xì)微神經(jīng)、 檢修微型或超微型計算機中的通訊光纖等。此外，微機械還可出現(xiàn)于人類所不能及或不適宜的工作環(huán)境，如清潔長期運行于宇宙空間的衛(wèi)星攝像機鏡頭、在有核輻射的場所執(zhí)行任務(wù)等。（2）與一般機械相比，微機械所表現(xiàn)出的智能化程度更高、實現(xiàn)的功能更趨于多 樣化。由于微機械的工作環(huán)境比較復(fù)雜， 除了人類必備的控制以外， 微機械自身也 須具有一定程度上的自主分析、 判斷和處理特定事件的能力。 在需要多個微機械 共同去完成任務(wù)時， 相互之間的分工和協(xié)作也是必需的。 這都要求微機械具有較 高的“智能”。采用新型材料和新方法制作的微機械可以不同于傳統(tǒng)機械，它能 將驅(qū)動與執(zhí)行等多項功能集中于同一構(gòu)件，

9、使整體結(jié)構(gòu)簡單、尺寸更易微小化。 1、 3 微機械的研究開發(fā)內(nèi)容（1）理論基礎(chǔ) 當(dāng)尺寸縮小至一定范圍時，許多物理現(xiàn)象與宏觀世界有很大差別。在微觀尺 寸領(lǐng)域，與尺寸 L 的高次方成比例的慣性力、電磁力 （L 3）等的作用相對減小，而 與尺寸的低次方成比例的彈性力（L2）、表面張力（L1）、靜電力等的作用相對增大， 同時表而積（L2）與體積（L3）之比增大，熱傳導(dǎo)、化學(xué)反應(yīng)加速和表面間的摩擦力 顯著增大。因此，許多宏觀物理量進(jìn)入微觀尺度后甚至需要重新定義。 相關(guān)學(xué)科， 如微電子學(xué)、 微機械學(xué)、 微光學(xué)、 微動力學(xué)、 微流體力學(xué)、 微熱力學(xué)、 微摩擦學(xué)、 微結(jié)構(gòu)學(xué)和微生物學(xué)等共同構(gòu)成了微機械研究的理

10、論基礎(chǔ)。（ 2）技術(shù)基礎(chǔ) 基本技術(shù)包括：微機械設(shè)計、微機械材料、微細(xì)加工、微裝配與封裝、集成 技術(shù)、微測量等。（3）應(yīng)用研究 美、日、德等國在微機械的研究與應(yīng)用方面占據(jù)領(lǐng)先地位。美國很早就著 手微機械的研究， 尤其是斯坦福大學(xué)， 在 20世紀(jì) 60 年代便利用硅片腐蝕方法制 造了應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的腦電極陣列的探針， 后來又在微型傳感器等方面取得成功。 例 如 ：參考書 164日本在此領(lǐng)域的研究雖然起步晚于美國， 但目前注重程度和投資強度均超過 美國。日本通產(chǎn)省 1991年開始啟動一項為期 10 年、耗資 250億日元的微型機械 大型研究計劃，研制兩臺樣機，一臺用于醫(yī)療，進(jìn)入人體進(jìn)行診斷和微型手術(shù)；

11、另一臺用于工業(yè)， 對飛機發(fā)動機和原子能設(shè)備的微小裂紋實施維修。 日本政府還 投資 3 千萬美元：至建了一座新的“微型機器人中心” 。日本名古屋大學(xué)研制了直徑為6mm、具有16個爪的管道流通微機器人。 德國在微細(xì)加工方面首創(chuàng)了 LIGA（ 德語制版術(shù)、 電鑄成形、 注塑三個詞的縮 寫）工藝，即 X 光深度光刻、微電鑄和微塑鑄三種工藝的有機結(jié)合，可實現(xiàn)高深 寬比的微結(jié)構(gòu)制作。例如LIGA工藝制作出直徑80 um、厚度140 um的微齒輪， 可用于微機械的動力傳輸。 用 LIGA 技術(shù)制造的微加速器， 可用于汽車安全氣囊 的控制系統(tǒng)。安全氣囊作用原理：安全氣囊只能在乘客和方向盤或儀表板之間的有限空間

12、內(nèi)發(fā)揮作用， 并且必 須在幾分之一秒的時間內(nèi)完成使命。氣囊自身由纖細(xì)的尼龍纖維制成，折疊后裝入方向盤或儀表盤。近來還出現(xiàn) 了裝入座椅或車門的氣囊。在撞擊的瞬間，傳感器是通知氣囊充氣的設(shè)備。傳感器從內(nèi)置于微芯片中的 加速計接收信號（即 LIGA 微加速度傳感器）。 只要所測加速度超過了安全值， 點火器就被點著，安全氣囊充氣系統(tǒng)中的疊氮化鈉（ NaN3）和硝酸鉀（KN03） 發(fā)（“固體推進(jìn)劑”）就會發(fā)生反應(yīng)，生成氮氣，這個原理與固體火箭助推器的原 理相同。大量的氮氣形成的熱流會讓氣囊迅速膨脹。 隨后， 氣囊爆炸般地沖出原 始安裝位置， 時速高達(dá) 322 公里， 比眨一下眼睛還要快！ 整個過程只經(jīng)歷

13、短短的 1/25 秒，但多出的這點時間已足以防止人員遭受重創(chuàng)。 1秒之后，氣體通過氣囊 上的小孔迅速消散，氣囊收縮，因此乘客又可以自由移動。2. 微細(xì)加工技術(shù)微細(xì)加工技術(shù)包含了各種傳統(tǒng)精密加工方法和與其原理截然不同的新方法， 如微細(xì)切削加工、磨料加工、微細(xì)電火花加工、電解加工、化學(xué)加工、超聲波加 工、微波加工、等離子體加工、 外延生長、激光加工、電子束加工、離子束加工、 光刻加工、電鑄加工等； 狹義地講， 微細(xì)加工技術(shù)目前一般主要是指半導(dǎo)體集成 電路（ IC ）的微細(xì)制造技術(shù)， 因為微細(xì)加工技術(shù)是在半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)的 基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，如化學(xué)氣相沉積、熱氧化、光刻、離子束濺射、真空蒸鍍、

14、 LIGA等。1987年，美國利用IC工藝首次制造出直徑為100um的硅靜電微型電 機，轉(zhuǎn)子的直徑僅為 60um。2、2 微細(xì)加工技術(shù)特點微機械的微細(xì)加工技術(shù)有以下特點：（1）從加工對象上看，微細(xì)加工不但加工尺度極小，而且被加工對象的整體尺寸 也很微??；（2）由于微機械對象的微小性和脆弱性，僅僅依靠控制和重復(fù)宏觀的加工相對 運動軌跡達(dá)到加工目的， 已經(jīng)很不現(xiàn)實。 必須針對不同對象和加工要求， 具體考 慮不同的加工方法和手段；（3）微細(xì)加工在加工目的、加工設(shè)備、制造環(huán)境、材料選擇與處理、測量方法和 儀器等方面都有其特殊要求。（ 4）加工機理與一般加工相比，存在很大差異。由于加工單位的急劇減小，

15、，此時必須考慮晶粒在加工中的作用。假定把軟鋼材料毛坯切削成一根直徑為 0.1mm、精度為0.01mm的軸類零 件。實際加工中，對于給定的要求，車刀至多只允許能產(chǎn)生 0.01mm切屑的吃刀 深度；而且在對上述零件進(jìn)行最后精車時， 吃刀深度要更小。 由于軟鋼是由很多 晶粒組成的，晶粒的大小一般為十幾微米，這樣，直徑為 0.1mm 就意味著在整 個直徑上所排列的晶粒只有 10個左右。如果吃刀深度小于晶粒直徑時，那么， 切削就不得不在晶粒內(nèi)進(jìn)行，這時就要把晶粒作為一個個的不連續(xù)體來進(jìn)行切 削。相比之下， 如果是加工較大尺度的零件， 由于吃刀深度可以大于晶粒線度， 切削不必在晶粒中進(jìn)行， 就可以把被加工

16、體看成是連續(xù)體。 這就導(dǎo)致了加工尺度 在亞毫米、加工單位在數(shù)微米的加工方法與常規(guī)加工方法的微觀機理的不同。另外，還可以從切削時刀具所受的阻力的大小來分析微細(xì)切削加工和常規(guī) 切削加工的明顯差別。實驗表明，當(dāng)吃刀深度在 0.1mm 以上進(jìn)行普通車削時，2單位面積上的切削阻力為(196294)N/mm ;當(dāng)吃刀深度在0.05mm左右進(jìn)行微 細(xì)銑削加工時，單位面積上的切削阻力約為 980N/mm2;當(dāng)吃刀深度在1um以 下進(jìn)行精密磨削時，單位面積上的切削阻力將高達(dá) 12740N/ mm2，接近于軟鋼 的理論剪切強度。 因此，當(dāng)切削單位從數(shù)微米縮小到 1 微米以下時， 刀具的尖端 要承受很大的應(yīng)力作用，

17、 使得單位面積上會產(chǎn)生很大的熱量， 導(dǎo)致刀具的尖端局 部區(qū)域上升到極高的溫度。這就是越是采用微小的加工單位進(jìn)行切削，就越要求采用耐熱性好、耐磨 性強、高溫硬度和高溫強度都高的刀具的原因。2、3 微細(xì)加工設(shè)備制造設(shè)備的微小型化將有利于節(jié)約空間、 節(jié)省能源、 易于重組。日本通產(chǎn)工 業(yè)技術(shù)院機械工程實驗室 (MEL)1996 年開發(fā)了世界上第一臺微型化的機床微 型車床。其規(guī)格為：長 32mm,寬25mm、高30. 5mm,重量為100g,主軸電 機額定功率1.5W，轉(zhuǎn)速1000r/ min。加工最小工件外圓為 60um。說明：以下簡介一種1999年由日本金澤大學(xué)研制的一套尺寸約 200mm的微 細(xì)車

18、削系統(tǒng)。它由微細(xì)車床、控制單元、光學(xué)顯微裝置和監(jiān)視器組成。(1)主體結(jié)構(gòu)部分。在該系統(tǒng)中，采用了一套光學(xué)顯微裝置來觀察切削狀態(tài)，還 配備了專用的工件裝卸裝置。圖 37為微細(xì)車床的結(jié)構(gòu)示意圖及其實物照片。 主軸用兩個微型滾動軸承支承， 由直流電機帶動主軸旋轉(zhuǎn)， 工件直徑 0.3mm， X、 丫、Z軸的進(jìn)給分辨率為4nm。因為工件的直徑很小，車削時沿 X-Y移動方向幅 度不大，所以令刀架沿X丫移動。工件裝在主軸前端的微型夾頭上。(2) 切削刀具與刀架。圖 39是微刀架裝置。刀軸安裝在刀架上，通過微柄操作 使其能夠轉(zhuǎn)位。對于微細(xì)車削端面、圓柱面、槽、錐形面等各種形狀的加工，則 可通過變換刀尖刃在空間

19、的方向和位置，以適應(yīng)不同類型零件的切削工藝要求。(3) 微細(xì)車削加工實例。利用上述微細(xì)車床可加工不同形狀的回轉(zhuǎn)體零件，如階 梯輪廓切削、端面切削、槽切削、鏜孔和螺紋車削等。圖311是其加工的部分實物照片。用直徑為 0. 3mm的黃銅絲為毛坯， 單點金剛石刀具加工。圖3 11(a)為階梯輪廓車削，小端長200um;(b)為車削端面，直徑約100um；(c)為切槽加工，槽深約30um，長約100um； (d)為鏜孔加工；(e)是該車床連續(xù)車 削切出的微細(xì)軸，最小直徑為 10um；（f） 為加工出的微細(xì)絲杠，螺距為 125um， 直徑約120um,螺牙約為60度。1999 年日本機械技術(shù)研究所設(shè)計制

20、作了世界上第一臺桌面微型工廠樣 機,由微型車床、 銑床、搬運機械手和裝配用的兩個手指機械手組成, 占地 70cmx 50cm,能進(jìn)行加工和裝配，并成功地試生產(chǎn)了外徑 D99um、長3mm的樞軸球軸 承。為了演示和證明微型工廠的可攜帶性, 2000 年又設(shè)計制作了便攜式微型工 廠,由微型車床、 銑床、沖壓機、 搬運機械手及電路、 控制裝置等組成, 重 23kg, 放在380x 625 x490mm3重11kg的箱子里。箱子底都裝有小輪，可以像旅行箱一 樣被推著走。還有微細(xì)銑削和磨削, 這里我們不再介紹。 以上主要介紹的是類似傳統(tǒng)加工 手段的微細(xì)加工。更多的微機械產(chǎn)品（比如微壓力、溫度傳感器、微型

21、泵、微馬 達(dá)、微齒輪等等） 大多都用到特種加工工藝。 這些工藝主要來自大規(guī)模和超大規(guī) 模集成電路的加工工藝, 正是借助于這些微細(xì)加工技術(shù)使眾多的微電子器件及相 關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)蓬勃興起, 并迎來了人類社會的信息革命。 同時微細(xì)加工技術(shù)也逐 漸被賦予更廣泛的內(nèi)容和更高的要求。當(dāng)然,今天微機械領(lǐng)域的重要角色不僅僅是微電子部分, 更重要的是微機械 結(jié)構(gòu)或及其與微電子等的集成。 只有將這些微機械結(jié)構(gòu)及其與微電子等集成在一 起才能實現(xiàn)微傳感器或微致動器件，進(jìn)而實現(xiàn)MEMS。也就是說，所以微機械的微細(xì)加工并不僅限于微電子制造技術(shù), 更重要的是指微機械構(gòu)件的加工或微機 械與微電子、微光學(xué)等的集成結(jié)構(gòu)的制作技術(shù)。

22、3、常用微細(xì)加工工藝3、1 集成電路的工藝基礎(chǔ)1999年以來，電子信息取代石油、鋼鐵等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，成為全球第一大產(chǎn)業(yè)。 發(fā)達(dá)國家經(jīng)濟(jì)增長的 65%與集成電路相關(guān)。 2001 年世界集成電路市場份額，美 國約占 40%，日本 25%，韓國 12%，中國僅為 2.1%。目前我國已有五、六十條 芯片生產(chǎn)線，到 2010 年， IC 領(lǐng)域上我國要占世界市場份額的 5%以上。上海市 是我國 IC 芯片線最集中、生產(chǎn)技術(shù)水平最高、 8 英寸（晶圓尺寸）線最多的城 市?，F(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭，很大程度上打的是“芯片戰(zhàn)” 。據(jù)美國有關(guān)方面數(shù)據(jù)，軍 艦、戰(zhàn)車、飛機、導(dǎo)彈和航天器中，所用 IC 占裝備和武器成本的比重，分別

23、達(dá) 到 22%、 24%、 33%、 45%和 66%。美國國防預(yù)算中的電子含量已占據(jù)半壁江山。 可以說，作為信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的集成電路，是 21 世紀(jì)國家生存與發(fā)展的物質(zhì)與技 術(shù)基礎(chǔ)。正因為如此， 世界主要國家都十分重視集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 紛紛制定面向21 世紀(jì)的集成電路發(fā)展規(guī)劃，整合國內(nèi)科技資源，成立國際科技合作組織，搶占制高點，以掌握未來信息技術(shù)的核心主動權(quán)。芯片工廠一直是高科技生產(chǎn)的圣地， 圖為其無塵、 超凈的工作環(huán)境。 目前， 內(nèi)存、微處理器和 ASIC 芯片 （專用集成電路，是指應(yīng)特定用戶要求和特定電子 系統(tǒng)的需要而設(shè)計、制造的集成電路 ）是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中最常制造的三種 IC 芯片。I

24、C 所用的材料主要是硅、鍺和砷化鎵等，全 90%以上 IC 都采用硅片。集成電路制造過程共分4個階段：單晶硅片制造一前半制程一硅片測試一后半制程。整個過程中要應(yīng)用到微細(xì)加工和超精密加工等先進(jìn)制造工藝和設(shè)備。單晶硅片制造制造 IC 的硅片，不僅要求具有極高的平面度和極小的表面粗糙度，而且要 求表面無變質(zhì)層、無劃傷。單晶硅片的超精密加工（包括超精密磨削、研磨和拋光）工藝和設(shè)備在 IC 制造過程中具有重要作用，是 IC 制造的關(guān)鍵技術(shù)。主要分為以下幾個步驟：1）單晶生長由于自然界中沒有單質(zhì)硅的存在， 我們使用的硅是從二氧化硅中提純而來。 二氧化硅廣泛存在于自然界中。在硅提純的過程中，原材料硅將被熔化

25、，并放進(jìn)一個巨大的石英熔爐。這 時向熔爐里放入一顆晶種， 以便硅晶體圍著這顆晶種生長， 直到形成一個幾近完 美的單晶硅，稱為硅錠。2）切斷：目的是切除單晶硅棒的頭部、尾部及超出客戶規(guī)格的部分，將單晶硅 棒分段成切片設(shè)備可以處理的長度。3）磨外圓由于單晶硅棒的外徑表面并不平整且直徑也比最終拋光晶片所規(guī)定的直徑 規(guī)格大，通過外徑滾磨可以獲得較為精確的直徑。4）切割晶圓接下來硅錠將被切割成片狀，稱為晶圓。晶圓才被真正用于 CPU 的制造。 所謂的“切割晶圓 ”也就是用機器從單晶硅棒上切割下一片事先確定規(guī)格的硅晶 片，并將其劃分成多個細(xì)小的區(qū)域，每個區(qū)域都將成為一個CPU的內(nèi)核（Die）。一般來說，晶

26、圓切得越薄，相同量的硅材料能夠制造的 CPU 成品就越多。隨著半導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展， 為滿足現(xiàn)代微處理器要求， 同時集成電路芯片 制造廠為獲取更多的利潤，一方面，擴大芯片產(chǎn)量，降低單元制造成本，這要求 硅片的直徑不斷增大；另一方面，通過提高 IC 的集成度，芯片尺寸相對縮小， 一片晶圓就能產(chǎn)生更多的芯片。 這兩種方式均可使集成電路芯片制造廠獲取更多 的利潤。作為基底材料硅晶片的尺寸越來越大，已由原來的 200 mm 向 300mm 轉(zhuǎn)化（即由 8 英寸芯片向 12 英寸芯片轉(zhuǎn)化， 12英寸芯片是全球最高端的芯片產(chǎn) 品，被稱為 “芯片之王 ”，廣泛應(yīng)用于手機、計算機、數(shù)碼相機等消費電子產(chǎn)品， 目

27、前全球只有 46 條生產(chǎn)線。世界第三大芯片制造商上海中芯國際 2006 年在北京 建成我國第一條 12 英寸芯片生產(chǎn)線；第二條在武漢，委托中芯國際集成電路 制造公司經(jīng)營管理；第三條在大連，英特爾在大連投資 25 億美元建立一個生產(chǎn) 300 毫米 （12 英寸 ）晶圓的工廠。這一工廠，即英特爾 68 號廠是英特爾在亞洲的 第一個芯片生產(chǎn)廠）；而要縮小芯片尺寸，則要求硅片的刻線寬度越來越細(xì)（線寬是指芯片上 的最基本功能單元 門電路的寬度， 因為實際上門電路之間連線的寬度同門電 路的寬度相同，線寬可以描述 IC 制造工藝水平。縮小線寬意味著晶體管可以做 得更小、更密集，可以降低芯片功耗，系統(tǒng)更穩(wěn)定，

28、 CPU 得以運行在更高的頻 率下）?？叹€寬度：1995年為0.35口，1998年為0.25阿，然后是0.18呵，接著是 0.13何（中芯能做0.13um的），目前先進(jìn)國家工藝水平已達(dá) 0.09卩線寬（Intel 的 Pentium 4芯片的線寬），硅片表面粗糙度要求達(dá)到納米和亞納米級， 芯片集成 度達(dá)到9000萬個晶體管/cm2等。而我國最高水平僅0.13卩，差距為1代。據(jù)美 國半導(dǎo)體協(xié)會預(yù)測，2014年半導(dǎo)體線寬將達(dá)0.035卩，屆時硅基芯片的微細(xì)加工 技術(shù)將可能達(dá)到極限， 微電子基礎(chǔ)理論、材料和加工技術(shù)都可能發(fā)生革命性變化?；蛘呓又却帜ィㄍ瑫r磨許多晶圓）5）倒角：指將切割成的晶片銳利邊

29、修整成圓弧形，防止晶片邊緣破裂及晶格缺 陷產(chǎn)生。接下來精磨（只磨一片）6） 研磨：指通過研磨除去切片和輪磨所造成的鋸痕及表面損傷層（加工變質(zhì)層）， 有效改善單晶硅片的翹曲度、 平坦度與平行度， 達(dá)到一個拋光過程可以處理的規(guī) 格。硅片研磨加工質(zhì)量直接影響到其拋光加工質(zhì)量及拋光工序的整體效率，甚 至影響到 IC 的性能。單晶硅屬于硬脆材料，對其進(jìn)行研磨，材料的破壞以微小 破碎為主，要求研磨加工后的理想表面形態(tài)是由無數(shù)微小破碎痕跡構(gòu)成的均勻無 光澤表面。硅片研磨時，重要的是控制裂紋的大小和均勻程度。7）腐蝕：研磨后已具有較高的面型，但表面粗糙度達(dá)不到要求，而且晶圓表面 有損傷層，需要通過腐蝕。通常采

30、用化學(xué)腐蝕去除。8）拋光：腐蝕去除的過程中腐蝕率難以控制，會影響面型精度。這是需拋光。集成電路集成水平越來越高的這種發(fā)展趨勢，使得硅片表面的微小缺陷便 可導(dǎo)致整個器件報廢的后果， 所以硅片的拋光就成為半導(dǎo)體制造加工技術(shù)上最重 要的一道工序。對集成電路（IC）特別是超大規(guī)模集成電路（ULSI）影響更大。因此, 拋光硅片的表面質(zhì)量直接關(guān)系到器件的性能質(zhì)量和成品率。目前普遍認(rèn)為，對于線寬在0.35卩m及以下的器件，必須進(jìn)行全局平面化，而化學(xué)機械拋光（CMP,ChemicalMechanicalPolishing）是作為目前唯一的可以提供在整個硅片上全面平坦化的工藝技術(shù)。拋光的方式包括粗拋， 主要作用

31、是去除損傷層； 精拋， 主要作用是改善晶片 表面的微粗糙程度。CMP，進(jìn)行硅片的最終精拋光的加工方法。晶圓表面可獲得極高平坦度、 極小表面粗糙度值的晶片表面，表面無變質(zhì)層、無劃傷。3.1.2 前半制程接下來，完成集成電路的制作。以 CPU 為例，其所需處理步驟可達(dá)數(shù)百道， 而其所需加工機臺先進(jìn)且昂貴， 動輒數(shù)千萬一臺。 雖然詳細(xì)的處理程序是隨著產(chǎn) 品種類與所使用的技術(shù)有關(guān)； 不過其基本處理步驟通常是進(jìn)行氧化、 光刻、刻蝕 及選擇性擴散等步驟。來完成晶圓上電路的加工與制作。（1）氧化硅的氧化物二氧化硅（Si02）與半導(dǎo)體硅的性能不同，它是良好的絕緣 體。因此Si02膜在晶體管和集成電路中成為良好

32、的防止短路的絕緣體和電容的絕 緣介質(zhì)（硅在常溫下于空氣中可以自然氧化， 生長出 S i 02氧化層，但其層厚較薄， 通常只有 2nm 左右。若要形成較厚的氧化膜，就需要在高溫爐內(nèi)進(jìn)行，稱為熱 氧化法）。此外，Si02膜還有以下兩個特性：化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且耐高溫，故能適應(yīng)集成 電路制作過程中多次反復(fù)的高溫處理； Si02膜對硼（B）、磷（P）、砷（As）等雜質(zhì) 元素有極好的抗拒性，使它們的原子不能侵人基片。利用Si02膜的這一特性，用 光刻（蝕）方法將 Si02 膜刻蝕成微小的幾何圖形， 在雜質(zhì)擴散時只有已被刻蝕去除 Si02的反域（俗稱“窗口”）才允許雜質(zhì)擴散進(jìn)入晶片內(nèi)部，形成預(yù)定要求的一定 幾何

33、形狀的擴散區(qū)或PN結(jié)。Si02的這些特性被用作選擇擴散和制作各種幾何形 狀圖形 PN 結(jié)的工藝依據(jù)。（2）光刻1958 年光刻技術(shù)在半導(dǎo)體器件制造中首次得到成功應(yīng)用，研制成平面型晶 體管，從而推動了集成電路的發(fā)明和飛速發(fā)展。 數(shù)十年以來， 集成技術(shù)不斷微小 型化，其中光刻技術(shù)發(fā)揮了重要的作用。光刻分辨率越小，線寬越細(xì)，即集成度 越高。1）工作母版制作a. 原圖制作：按照芯片產(chǎn)品圖紙的技術(shù)要求，采用 CAD 等技術(shù)對芯片復(fù)雜 電路結(jié)構(gòu)圖樣進(jìn)行圖形設(shè)計。在計算機完成的集成電路的電路圖還只是一些圖像或 （和）數(shù)據(jù)，在將設(shè)計結(jié) 果送到工藝線上實驗時， 還必須經(jīng)過一個重要的中間環(huán)節(jié)： 制版，制作工作母版

34、。 即設(shè)計與工藝制造之間的接口是版圖。b. 母版制作然后原圖數(shù)據(jù)被傳送給圖形發(fā)生器（一種制版設(shè)備），圖形發(fā)生器（PG-pattern generato）根據(jù)數(shù)據(jù)，將設(shè)計的原圖結(jié)果縮小并分層地轉(zhuǎn)移到掩模版上（掩模版為涂有感光材料的優(yōu)質(zhì)玻璃板 ），從而得到工作掩膜或工作母版，這個過程叫初 縮。通常一個 CPU 芯片包含好幾層電路。所以通常有十幾塊掩膜。在獲得分層的初縮版后， 再通過分步重復(fù)技術(shù)， 在最終的掩模版上產(chǎn)生具有 一定行數(shù)和列數(shù)的重復(fù)圖形陣列，這樣，在將來制作的每一個硅片 （Wafer） 上將 有若干個集成電路芯片。 通過這樣的制版過程， 就產(chǎn)生了若干塊的集成電路分層 掩模版。通常， 一套

35、掩模版有十幾塊分層掩模版。 集成電路的加工過程的復(fù)雜程 度和制作周期在很大程度上與掩模版的多少有關(guān)。2）光刻加工過程 也成為圖形轉(zhuǎn)移工藝。通常，光刻次數(shù)越多，就意味著工藝越復(fù)雜。另方 面，光刻所能加工的線條越細(xì)， 意味著工藝線水平越高。 光刻工藝是完成在整個 硅片上進(jìn)行開窗的工作。a. 涂膠 把光致抗蝕劑 （光刻膠）涂覆在氧化膜上的過程稱為涂膠。光刻膠 受到特定波長光線的作用后， 導(dǎo)致其化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化， 使光刻膠在某種特定溶 液中的溶解特性改變。b. 曝光 在涂好光刻膠的硅片表面上覆蓋掩模版， 即將掩模置于光源與光刻 膠之間，利用紫外光（或 X 射線、離子束、電子束等）透過掩模對光刻膠進(jìn)行

36、選擇性照射。 在受到光照的地方， 光刻膠發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)， 從而改變了感光部分 的膠的性質(zhì)。曝光時準(zhǔn)確的定位和嚴(yán)格控制曝光強度與時間是其關(guān)鍵。c. 顯影與烘片 曝光后的光刻膠， 其分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生化學(xué)變化， 在特定溶劑或 水中的溶解度也不同， 利用曝光區(qū)和非曝光區(qū)的這一差異， 可在特定溶劑中把曝 光圖形呈現(xiàn)出來， 這就是顯影。有的光致抗蝕劑在顯影干燥后， 要進(jìn)行高溫處理， 使它發(fā)生熱聚合作用，以提高強度，叫做烘片。注：為保證質(zhì)量，顯影后的硅片 要進(jìn)行嚴(yán)格檢查。d. 刻蝕 利用化學(xué)或物理方法，將沒有光致抗蝕劑部分的氧化膜去除，稱之 為刻蝕?？涛g的方法很多，有化學(xué)刻蝕、離子刻蝕、電解刻蝕等。雖然，光刻和

37、刻蝕是兩個不同的加工工藝， 但因為這兩個工藝只有連續(xù)進(jìn)行， 才能完成真正意義上的圖形轉(zhuǎn)移。 在工藝線上， 這兩個工藝是放在同一工序， 因 此，有時也將這兩個工藝步驟統(tǒng)稱為光刻。e. 剝膜與檢查 用剝膜液去除光致抗蝕劑的處理為剝膜。剝膜后洗凈修整， 進(jìn)行外觀線條尺寸、間隔尺寸、斷面形狀、物理性能和電學(xué)特性等檢查。3）選擇型擴散（參考 PPT ）所謂熱擴散摻雜就是利用原子在高溫下的擴散運動， 使雜質(zhì)原子從濃度很高 的雜質(zhì)源向硅中擴散并形成一定的分布。 熱擴散通常分兩個步驟進(jìn)行： 預(yù)淀積和 再分布。預(yù)淀積是在高溫下，利用雜質(zhì)源，如硼源、磷源等，對硅片上的摻雜窗 口進(jìn)行擴散， 在窗口處形成一層較薄但具

38、有較高濃度的雜質(zhì)層。 這是一種恒定表 面源的擴散過程。再分布是利用預(yù)淀積所形成的表面雜質(zhì)層做雜質(zhì)源，在高溫下將這層雜質(zhì)向 硅體內(nèi)擴散的過程。 通常再分布的時間較長， 通過再分布， 可以在硅襯底上形成 一定的雜質(zhì)分布和結(jié)深。再分布是限定表面源擴散過程。注：為加工新的一層電路，再次生長硅氧化物，然后沉積一層多晶硅，涂敷 光刻膠、重復(fù)影印、 蝕刻過程，得到含多晶硅和硅氧化物的溝槽結(jié)構(gòu)。 重復(fù)多遍， 形成一個 3D 的結(jié)構(gòu)，這才是最終的 CPU 的核心。每幾層中間都要填上金屬層 作為導(dǎo)體。 Intel 的 Pentium 4 處理器有 7 層，而 AMD 的 Athlon （速龍） 64 則 達(dá)到了

39、9 層。金屬層采用真空鍍膜的方法。將導(dǎo)電性良好的金屬（如鋁、金）加熱使之變 成蒸氣原子飛濺到硅片表面， 沉積一薄層金屬膜的技術(shù)稱為真空鍍膜， 可解決集 成電路布線或引線的問題。所以，在圖形轉(zhuǎn)移工藝過程中，一般要對硅片進(jìn)行 10 多次光刻，其中包括 對絕緣膜（SiO2膜、Si 3N4）、半導(dǎo)體膜（單晶Si、多晶Si）和導(dǎo)體膜（Al, Al-Si , W 膜）的光刻，才能形成最終的圖形。3.1.3 硅片測試經(jīng)過上道工序，硅片上形成一個一個的小格，即晶粒。一般情況下，同一片 晶圓上加工同一規(guī)格、 品種的產(chǎn)品。 用針測儀對每一個晶粒測試其電氣特性。 將 不合格的晶粒標(biāo)上標(biāo)記。3.1.4 后半制程：包括

40、封裝和芯片測試將晶圓分開，分割成一個一個的晶粒。這時的 CPU 是一塊塊晶粒，它還不能直接被用戶使用，必須將它封入一個 陶瓷的或塑料的封殼中， 這樣它就可以很容易地裝在一塊電路板上了。 封裝結(jié)構(gòu) 各有不同，但越高級的 CPU 封裝也越復(fù)雜，新的封裝往往能帶來芯片電氣性能 和穩(wěn)定性的提升， 并能間接地為主頻的提升提供堅實可靠的基礎(chǔ)。 這樣， 芯片完 制作完成了。芯片加工的最后一道工序為測試。 將封裝后的芯片在各種環(huán)境下測試其電氣 特性，如消耗功率、運行速度等，根據(jù)其電氣特性可劃分為不同的等級。當(dāng)然， 最后要看一下整體良率是指通過最后測試的良好芯片（Good Chips）總數(shù)與用于生產(chǎn)之所有晶圓上

41、的晶粒（Dies）總數(shù)的比值。整體良率決定一座 IC 芯片生產(chǎn)工廠是賠錢還是賺錢。至此，一塊完成的芯片制作完成， 即我們通?？吹降暮谏幕蚝稚?， 四邊 或兩邊帶有許多插腳或引線的矩形小塊。3、2 薄膜成形技術(shù)薄膜材料種類很多，根據(jù)不同使用目的可以是金屬，半導(dǎo)體硅、鍺、絕緣體 玻璃，陶瓷等。從導(dǎo)電性考慮，可以是金屬、半導(dǎo)體、絕緣體或超導(dǎo)體；從結(jié)構(gòu) 考慮，可以是單晶、多晶、非晶或超晶格材料； 從化學(xué)組成來考慮 可以是單質(zhì)、 化合物或無機材料、有機材料等。化學(xué)氣相沉積是在容器中通以氣相的、 用以構(gòu)成薄膜材料化學(xué)物質(zhì)， 使其在 加熱的基片表面進(jìn)行高溫化學(xué)反應(yīng)，從而在基片上形成薄膜的技術(shù)。離子鍍膜：

42、將一定能量的離子束轟擊某種材料制成的靶， 離子將靶材粒子擊 出，使其鍍覆到靶材附近的工件表面上。 離子鍍膜層的附著力強， 鍍層組織緊密。 可鍍各種金屬、非金屬、化合物、半導(dǎo)體。3、 3 光刻工藝由于電子質(zhì)量極輕，在感光膠中的散射范圍很大，這些散射電子會影響鄰近 電路圖形的曝光質(zhì)量，因而鄰近效應(yīng)很難控制。為了提高生產(chǎn)率和減小鄰近效應(yīng)，目前正在廣泛研究限定角度投影電子束光 刻技術(shù)。電子束光刻的主要缺點在于產(chǎn)出量， 加工過程較慢， 不能用于制造大多 數(shù)集成電路。離子束曝光技術(shù)具有一些電子束無法比擬的優(yōu)點， 與電子相比， 最輕的離子 也要比電子重近 2000 倍。因此離子在感光膠中散射范圍極小，鄰近效

43、應(yīng)幾乎為 零。此外，由于離子質(zhì)量重，在同樣的能量下，感光膠對離子的靈敏度要比對電 子高數(shù)百倍。缺點：離子束需要在真空下工作，硅片和掩模操作不方便；離子束是帶電粒 子，由于空間電荷作用使圖形的清晰程度和圖形位置精度受限； 離子束可使下層 基底受損。3、 4 摻雜技術(shù)離子注入： 進(jìn)入硅中的雜質(zhì)離子在一定的位置形成一定的分布。通常，離子注入的深度 （平均射程 ）較淺且濃度較大，必須重新使它們再分布。摻雜深度由注入雜質(zhì)離子 的能量和質(zhì)量決定，摻雜濃度由注入雜質(zhì)離子的數(shù)目 （劑量 ）決定。同時，由于高能粒子的撞擊 ，導(dǎo)致硅結(jié)構(gòu)的晶格發(fā)生損傷 。為恢復(fù)晶格損傷， 在離子注入后要進(jìn)行退火處理，根據(jù)注入的雜質(zhì)

44、數(shù)量不同，退火溫度在450 C950 C之間，摻雜濃度大則退火溫度高，反之則低。在退火的同時，摻入的雜 質(zhì)同時向硅體內(nèi)進(jìn)行再分布，如果需要，還要進(jìn)行后續(xù)的高溫處理以獲得所需的 結(jié)深和分布。離子注入技術(shù)以其摻雜濃度控制精確、位置準(zhǔn)確等優(yōu)點，正在取代熱擴散 摻雜技術(shù)，成為 VLSI 工藝流程中摻雜的主要技術(shù)。4、硅微細(xì)加工工藝微致動器又稱微驅(qū)動器或微執(zhí)行器， 是能夠產(chǎn)生和執(zhí)行動作的一類微機械部 件或器件的總稱。比如微馬達(dá)、微夾持器、微泵、微閥門、微閘門、微齒輪、微 轉(zhuǎn)軸等。4、1 硅體微加工技術(shù) 硅的體微加工技術(shù)是指利用腐蝕工藝對塊狀硅進(jìn)行準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)的微加工，以 形成所需要的硅微結(jié)構(gòu)，主要包括腐蝕

45、和停止腐蝕兩項關(guān)鍵技術(shù)。腐蝕又稱蝕刻，是微加工中的重要工藝之一。它是指在需要的地方通過物理 或化學(xué)的方法對原有材料的去除。物理腐蝕通常是指干法腐蝕（使用氣體腐蝕劑 ），化學(xué)腐蝕則通常指濕法腐蝕 （使用液體腐蝕劑 ）。蝕刻獨立于光刻的重要的一類微細(xì)加工技術(shù)， 但刻蝕技術(shù)經(jīng)常需要曝光技術(shù) 形成特定的抗蝕劑膜，而光刻之后一般也要靠刻蝕得到基體上的微細(xì)圖形或結(jié) 構(gòu)，所以刻蝕技術(shù)經(jīng)常與光刻技術(shù)配對出現(xiàn)。 以往的硅微細(xì)加工經(jīng)常采用濕法刻 蝕。（1）濕法腐蝕常用的濕法腐蝕方法主要有兩種， 即各向同性腐蝕和各向異性腐蝕。 各向同 性腐蝕是指腐蝕沿基底的各個方向以同一速率發(fā)生； 而各向異性腐蝕則在優(yōu)先的 方向上

46、以較快的速率腐蝕。1）各向同性腐蝕各向同性刻蝕是在任何方向上刻蝕速度均等的加工， 可以制造任意橫向幾何 形狀的微形結(jié)構(gòu)， 高度一般僅為幾微米。 大多數(shù)化學(xué)刻蝕是不易控制的各向同性 刻蝕。最大缺點就是在刻蝕圖形時容易產(chǎn)生塌邊現(xiàn)象， 即在縱向刻蝕的同時， 也 出現(xiàn)側(cè)向鉆蝕， 以至刻蝕圖形的最小線寬受到限制。 通常， 采用刻蝕系數(shù)來反映 刻蝕向縱向深入和向側(cè)向鉆蝕的情況。側(cè)向鉆蝕越小， 刻蝕系數(shù)越大， 刻蝕部分的側(cè)面就越陡， 刻蝕圖形的分辨率 也就越高。但由于存在側(cè)向鉆蝕， 這對于線寬在微米和亞微米量級的圖形刻蝕來說是難 以容忍的。微機械加工常用的刻蝕法各向異性刻蝕法。各問同性腐蝕劑在各個方向上的腐

47、蝕速率幾乎相同。由于反應(yīng)中的擴散限 制，腐蝕會在狹窄的通道內(nèi)慢下來， 在這種情況下， 攪動腐蝕劑能夠控制腐蝕速 率和腐蝕結(jié)構(gòu)的最終形狀。 通過適當(dāng)?shù)臄噭痈g劑， 能得到具有球形表面的坑和 腔，甚至可以得到近乎完美的半球形， 攪拌的作用是為了加速反應(yīng)物和產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移，并保證轉(zhuǎn)移在各個方向的一致性。通常制造微機械需要深度達(dá)幾十個微米， 深度比較大能夠形成三維空間結(jié)構(gòu) 的刻蝕技術(shù)， 故多采用異向刻蝕技術(shù)。 它是一種在特定方向上刻蝕速度大， 其它 方向上幾乎不發(fā)生刻蝕的加工方法。2) 各向異性腐蝕原理 對于特定的腐蝕劑，如 KOH ，硅單晶不同晶面的腐蝕速度不同。一般對硅的 (100)晶面的腐蝕速度最快

48、， (110)晶面次之， (111)晶面的腐蝕速度最慢。即各 向異性腐蝕與晶片的結(jié)晶取向密切相關(guān)。3) 停蝕工藝 重?fù)诫s停蝕： 硅的摻雜濃度和摻雜雜質(zhì)種類對硅的腐蝕速度有很大影響。 輕摻雜和重?fù)诫s 的腐蝕速度之比高達(dá)幾百比一；采用重?fù)诫s停蝕時，首先 (100)硅在 N 型或 P 型 硅表面通過擴散或外延的方法產(chǎn)生一層重?fù)诫sp+層；然后在硅片背面熱生長Si02，用來制作掩膜；最后在掩膜上刻蝕窗口，窗口邊緣沿 (010 )晶軸方向，并在 腐蝕劑中腐蝕，結(jié)果腐蝕到重?fù)诫s層會停下來。(111)面停蝕 ：目前常用的 KOH 系統(tǒng)等腐蝕劑對 (100)和(111)面的腐蝕速率相差極大， 因此 如選用 (1

49、11)面作為停蝕面，就可以在 (100)面上腐蝕出 (111)取向的硅膜。由于在 (100)的硅片上不能直接生長 (111)的硅，可利用熱鍵合工藝將 (100)與(111)硅“融 合”在一起。圖616是在(100)面上用Si02做掩膜形成腐蝕窗口，進(jìn)行腐蝕， 在(1 1 1 )面停蝕，得到高精度的硅膜。在完成刻蝕后， 要對工件進(jìn)行充分水洗， 以便把到蝕液全部除去。 而后立即 浸入剝膜液中， 抗蝕劑一接觸剝膜液就會很容易地分離或溶解， 用水洗可徹底清 洗干凈，然后用熱風(fēng)干燥。(2)干法腐蝕干法刻蝕是指利用一些高能束進(jìn)行刻蝕。 注：不需要大量的有毒化學(xué)試劑， 不必清 洗。比如離子束刻蝕和激光刻蝕。

50、硅體微加工主要是通過光刻和化學(xué)刻蝕等在硅基體上得到一些坑、 凸臺、帶 平面的孔洞等微結(jié)構(gòu)， 它們成為建造懸臂梁、 膜片、溝槽和其它結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)， 最后利用這些結(jié)構(gòu)單元可以研制出壓力或加速度傳感器等微型裝置。4、2 硅表面微加工技術(shù) 正當(dāng)體加工成為加工微機械單元的強有力工具時， 為適應(yīng)微裝置設(shè)計的多樣 性、靈活性以及器件功能逐步改善的需要， 微細(xì)加工領(lǐng)域又誕生了許多新概念和 新技術(shù)。 1985 年，犧牲層技術(shù)真正應(yīng)用于微細(xì)加工方面，于是出現(xiàn)了表面微加 工技術(shù)。注：犧牲層技術(shù)工藝的目的是使結(jié)構(gòu)薄膜與襯底材料分離，得到各種所需的 可變形或可動的表面微結(jié)構(gòu)。如圖給出了犧牲層技術(shù)表面微加工的工藝步驟。

51、（a）基礎(chǔ)材料，一般為單晶硅晶片3（b）在基板上沉積一層絕緣層作為犧牲層；（c）在犧牲層上進(jìn)行光刻，刻蝕出 窗口；（d）在刻蝕出的窗口及犧牲層上沉積多晶硅或其他材料作為結(jié)構(gòu)層；（e）從側(cè)面將犧牲層材料腐蝕掉，釋放結(jié)構(gòu)層，得到所需微結(jié)構(gòu)。通過在硅片表面沉積的犧牲層和結(jié)構(gòu)層可以制作三維微結(jié)構(gòu)。圖626 是需要兩個犧牲層和兩個結(jié)構(gòu)層的中心銷軸承的制作過程。（a）沉積第一層犧牲層，并制作與凸起點相匹配的凹坑（橫截面圖）；（b）沉積第一層結(jié)構(gòu)層，并制作轉(zhuǎn)子圖 形，此時轉(zhuǎn)子的凸起點自動形成（橫截面圖）；（c）沉積第二層犧牲層，并制作中心 銷軸承的指定區(qū)域（橫截面圖）；（d）沉積第二層結(jié)構(gòu)層，此時轉(zhuǎn)子的中心

52、已嵌入犧 牲層，然后溶去犧牲層釋放轉(zhuǎn)子 （橫截面圖 ）。表面微機械加工技術(shù)的主要優(yōu)點是：充分利用了現(xiàn)有的 IC 生產(chǎn)工藝，對機 械零部件尺度的控制與 IC 一樣好，因此這種技術(shù)和 IC 完全兼容。堆裝技術(shù)： 如果由于某些復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)即使采用異向刻蝕工藝也很難制造， 因此，可以利用刻蝕等工藝先制造出不同形狀的平面結(jié)構(gòu)， 在把這些平面結(jié)構(gòu)一 層層組合連接起來， 獲得用一般方法無法制造的三微形狀的微機械 （如冷焊、 黏 結(jié)等）。5、 LIGA 技術(shù)LIGA 優(yōu)勢：（1）可以制造由各種金屬材料如鎳、銅、金、鐐鉆合金以及塑料、玻璃、 陶瓷等材料制成的微機械。因此，較硅材料的加工技術(shù)有了一個很大的飛躍。（

53、2）由于同步輻射 X 射線具有很強的穿透力，因此可以制作具有很大縱橫 比的微結(jié)構(gòu)。比如縱向尺寸可達(dá)數(shù)百微米，最小橫向尺寸為 1um 的結(jié)構(gòu)。尺寸 精度達(dá)亞微米級而且有很高的垂直度，平行廢和重復(fù)精度。（ 3） LIGA 適合于制作平面圖形復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。這一點是硅微細(xì)加工所不 具備的。因為硅微細(xì)加工采用各向異性腐蝕， 沿不用的晶軸方向溶解速度不一樣， 所以在硅晶體中生長的結(jié)構(gòu)不可能是任意的。 而用 LIGA 制作的微結(jié)構(gòu)， 其二維 平面圖形可任意設(shè)計，即掩膜圖形可任意設(shè)計。（1）同步輻射 X 射線深層光刻注：被曝光過的抗蝕劑將被顯影除去， 所以該模扳即為掩模覆蓋下的為曝光 部分的抗蝕劑層，它具有

54、與掩模圖形相同的平面幾何圖形。同步輻射 X 射線除具有普通 x 射線所具有的波長短、分辨率高、穿透力強 等優(yōu)點外，還具有特定的優(yōu)點，主要包括：幾乎是完全平行的 x 射線輻射，可進(jìn) 行大焦深（ 10 ym）的曝光，減小丁幾何畸變的影響；高輻射強度，比普通 x射 線強度高兩個數(shù)量級以上LIGA技術(shù)要求掩模的基底抗輻射能力強，穩(wěn)定性好，掩模體厚。注：而且由于結(jié)合了模具生產(chǎn)的成形技術(shù)，LIGA為非半導(dǎo)體材料微結(jié)構(gòu)的廉價生產(chǎn)提供了可能，具有批量生產(chǎn)的特性。LIGA技術(shù)應(yīng)用：LIGA技術(shù)自誕生以來就一直被認(rèn)為是進(jìn)行微三維立體構(gòu)件加工的最有力的 手段之一。目前，歐、美、日等國已開始運用 LIGA技術(shù)進(jìn)行批量

55、生產(chǎn)微構(gòu)件商 品。由于微小齒輪的結(jié)構(gòu)相對簡單，而且應(yīng)用面極廣，因此德國、美國等科學(xué)家 在進(jìn)行LIGA技術(shù)的基礎(chǔ)研究時大多從微齒輪的制作開始。目前已可制作出能夠相互嚙合的漸開線齒形的齒輪。研究表明，LI GA技術(shù)可以自由地進(jìn)行二維設(shè)計， 并且在設(shè)計時能夠進(jìn)行計算機優(yōu)化，精確度可以達(dá)到亞微米級。威斯康星-麥迪遜大學(xué)通過LIGA方法制作的微齒輪和組裝后的微馬達(dá)。(d) LIGA工藝得到的三個鎳材料的微型齒輪，每個齒輪高100m(e) 組裝后的電磁驅(qū)動微馬達(dá)的 STM照片，由犧牲層和LIGA技術(shù)獲得，轉(zhuǎn) 子直徑為150m，三個齒輪的直徑分別為 77m,100m和150m。作為一種實用的微細(xì)加工手段，L

56、IGA工藝的一大突出特性就是可以完成大 縱橫比微結(jié)構(gòu)的制作。圖719是日本學(xué)者用LIGA技術(shù)完成的部分微結(jié)構(gòu)制作。 其中圖7 19(a)是制作的Ni金屬模具，它的高度為15um,線寬為0. 2um，縱 橫比為75; (b)為Ni金屬模具，它的高度為200um,線寬為2um,，縱橫比為100; ?上為厚度為200um的微結(jié)構(gòu)圖片。微傳感器和微致動器的性能很大程度上取決于其敏感器件的靈敏度，而敏感器件則大多為大縱橫比的微懸臂結(jié)構(gòu)，這正是LIGA技術(shù)的加工特長。圖720是德國學(xué)者用LIGA技術(shù)制作的部分微傳感器和微致動器結(jié)構(gòu)?？梢钥闯鰬?yīng)用 LIGA技術(shù)已經(jīng)能夠制作除結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜的微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。微細(xì)電火

57、花加工技術(shù)在金屬材料的微細(xì)加工中發(fā)揮了重要作用，但微細(xì)電 極，尤其是微小成型電極的制備卻相當(dāng)困難， 一直是制約該技術(shù)廣泛應(yīng)用的瓶頸 問題。由于LIGA技術(shù)的批生產(chǎn)特性，可以用其制作復(fù)雜形狀金屬成形電極，從 而大大拓寬微細(xì)電火花加工技術(shù)的加工能力和應(yīng)用領(lǐng)域。將兩種或兩種以上的微 細(xì)加工技術(shù)進(jìn)行有效的集成，充分發(fā)揮各自的技術(shù)特點，將是未來微細(xì)加工技術(shù) 發(fā)展的必然趨勢之一。圖724是日本學(xué)者用LICA技術(shù)制作出電火花加工用的微細(xì)成形電極， 然后再用制作出的電極進(jìn)行微細(xì)電火花加工實例。由于在加工襯底上一次制作出的是一批電極，因此，用此電極一次就可以加工出一批工件。圖724(a)、(b)是用此方法制作出

58、的20X20的圓柱電極陣列以及用此電極在厚為 50um的不銹 鋼片上加工出的微細(xì)陣列孔，每根電極的直徑為20u m,材料為鋼，加工后孔的直徑為30-32um之間；圖7 24(c)、(d)是用此方法制作出的成形電極以及用此 成形電極加工出的工件照片。6、納米加工技術(shù)納米科技（NST, Na no Scie nee & Techno logy 是一門在 0.1 100 nm 的尺度 空間內(nèi)研究電子、原子和分子等的結(jié)構(gòu)特性、運動規(guī)律和相互作用的嶄新學(xué)科， 它是現(xiàn)代物理 （介觀物理、量子力學(xué)、混濁物理 ）和先進(jìn)技術(shù) （微電子、計算機、掃 描隧道顯微技術(shù) ）相結(jié)合的產(chǎn)物，并由此派生出一系列的新興學(xué)科。"納米"是英文nano的譯名，是一種長度單位，原稱毫微米，就是 10的-9次 方米（ 10 億分之一米）。納米結(jié)構(gòu)通常是指尺寸在 100納米以下的微小結(jié)構(gòu)。從具體的物質(zhì)說來， 人們往往