微纳加工技术(整理).ppt
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微纳制造PPT
二、国内外微纳技术研究现状
纳米制造在工业应用上更少。究其原因，一方 面是因为我国工业底子薄，一些最适合应用到 微纳技术的领域如芯片、大规模集成电路、汽 车以及飞机发动机系统、高端制导系统等，核 心技术、核心装备并没有掌握在我们手里；另 一方面．我国的科研体系更倾向于能够产生市 场效益的工程研究，而对于短期无法看到效益 的基础研究支持力度不够，甚至有逐年下滑的 趋势：第三。微纳制造技术不只是加工方法的 问题，同样是制造装备的问题。高精密仪器设 备及高精度制造、测量技术也是制约我国微纳 技术发展的因素之一。
三、聚合物在微纳技术中的作用
3.在印刷复制技术中作用： (1)电子束和光照技术都是基于高分子材料光敏 化学作用，而印刷复制技术是一种物理成型 表面浮雕图案的方法，有高产量，低成本的 优势。 (2)成型方法：热压成型
三、聚合物在微纳技术中的作用
注塑成型：微注塑成型不仅仅是缩小模具尺 寸的问题，还有许多新问题。
四、微纳技术面临的问题
2.纳米制造的精度理论和体系、纳米结构的 物理性能和机械性能的表征、以及纳米器件 可制造性和可检测性的评价都是当前尚未解 决的难题或研究的热点问题。
一、微纳技术简介ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3.微纳技术主要特征有：
（1）制造对象与过程涉及跨（纳/微）尺度；
（2）制造过程中界面/表面效应占主导作用；
（3）制造过程中原子/分子/行为及量子效应影 响显著；
（4）制造装备中微扰动的影响显著。
二、国内外微纳技术研究现状
1. 微纳加加工技术一般指微米、纳米级（ 1100nm) 的材料、设计、制造、测量、控制和产 品的研究、加工、制造以及应用术由于受到基 础装备、工艺技术、科研经费、行业基础等多 方面因素的影响。我国的微纳制造技术的研究 与世界先进水平之间尚有差距。 从制造角度来说，国内的微纳技术应用除了 在微电子技术、生命科学生物工程及材料应用 外，在机电工程领域如静电陀螺等精确制导系 统方面也有应用。但总体上来说，国内微纳制 造加工成熟度不高
微纳加工技术培训资料
• 材料合成是研究新材料的制备和合成的化学分支，它涉及到无机、有机和高分 子材料等的合成和制备技术。在微纳加工技术中，材料合成有助于探索新的纳 米材料和加工技术，提高产品质量和降低生产成本。
微纳加工技术的工艺流程
光刻是微纳加工技术中的关键步骤之一，它利用光刻 胶作为掩模，通过曝光和显影等步骤将设计好的图形 转移到衬底上。光刻的分辨率和精度直接决定了加工 出来的微纳结构的尺寸和形状。
高精度、高集成度、高效率、低 成本等。
微纳加工技术的应用领域
半导体制造
微纳加工技术在半导体 制造领域应用广泛，如 集成电路、微电子机械
系统等。
生物医疗
在生物医疗领域，微纳 加工技术可用于制造微 型医疗器械、生物芯片
等。
航空航天
在航空航天领域，微纳 加工技术可用于制造微 型卫星、微型传感器等。
新能源
光电子器件的制造
光电子器件是光通信、光传感 等领域的重要元件，其制造需 要高精度、高稳定性的加工技 术。
微纳加工技术可以用于制造各 种光电子器件，如激光器、光 探测器、光调制器等。
微纳加工技术在光电子器件制 造中的应用，可以提高器件的 性能和稳定性，促进光电子技 术的发展。
纳米机器人的设计与制造
在新能源领域，微纳加 工技术可用于制造微型 太阳能电池、微型燃料
电池等。
微纳加工技术的发展趋势
纳米级制造
3D打印技术
随着科技的发展，微纳加工技术正向着纳 米级别发展，制造更小尺寸的器件和系统 。
3D打印技术与微纳加工技术结合，可以实 现更复杂结构的制造。
智能制造
跨学科应用
智能制造是未来制造业的发展方向，微纳 加工技术将与智能制造技术相结合，实现 高效、高精度的制造。
微纳加工技术的工艺流程
光刻是微纳加工技术中的关键步骤之一，它利用光刻 胶作为掩模，通过曝光和显影等步骤将设计好的图形 转移到衬底上。光刻的分辨率和精度直接决定了加工 出来的微纳结构的尺寸和形状。
高精度、高集成度、高效率、低 成本等。
微纳加工技术的应用领域
半导体制造
微纳加工技术在半导体 制造领域应用广泛，如 集成电路、微电子机械
系统等。
生物医疗
在生物医疗领域，微纳 加工技术可用于制造微 型医疗器械、生物芯片
等。
航空航天
在航空航天领域，微纳 加工技术可用于制造微 型卫星、微型传感器等。
新能源
光电子器件的制造
光电子器件是光通信、光传感 等领域的重要元件，其制造需 要高精度、高稳定性的加工技 术。
微纳加工技术可以用于制造各 种光电子器件，如激光器、光 探测器、光调制器等。
微纳加工技术在光电子器件制 造中的应用，可以提高器件的 性能和稳定性，促进光电子技 术的发展。
纳米机器人的设计与制造
在新能源领域，微纳加 工技术可用于制造微型 太阳能电池、微型燃料
电池等。
微纳加工技术的发展趋势
纳米级制造
3D打印技术
随着科技的发展，微纳加工技术正向着纳 米级别发展，制造更小尺寸的器件和系统 。
3D打印技术与微纳加工技术结合，可以实 现更复杂结构的制造。
智能制造
跨学科应用
智能制造是未来制造业的发展方向，微纳 加工技术将与智能制造技术相结合，实现 高效、高精度的制造。
微纳加工技术解析
3.结果
❖ 图6。两个谐振结构相似的初始图案，但引入不同的角度后，右边结构 显示出更窄的梁宽
3.结论
❖ 较窄的光束可以由较大的角度制作。其他两 个双热响应结构，具有不同数量的致动器, 尺 寸小至150 nm, 位于500 nm厚的Si衬底，在 如图7所示。
ห้องสมุดไป่ตู้
3.结果
❖ 图7。在500 nm厚的Si衬底上利用所描述的缩小技术制备悬浮谐振晶体 硅结构。
2.方法
❖ 图4。自上而下的微加工处理流程，用于制造基于绝缘硅衬底具有纳米 特征的悬浮硅结构，使用单掩膜光刻工艺
3.结论
❖ 薄器件层的SOI衬底（500 nm–2μM）被用于 制造集成了热制动与纳米传感器的热响应结 构。如图5，扫描电子显微镜下一个梯形断面 宽85 nm的纳米梁，基于2μ米厚的硅衬底(使 用当前的技术制造)
2.方法
❖ 图2。（a）用所描述的技术制造的有锐化边缘和高质量组件的纳米束集 成机电结构。（b）连续热氧化生长和HF去除步骤后的有纳米特征的类 似结构，体现出严重的粗糙度，以及难以预测的特征
2.方法
❖ 例如，为了制作一个长2μm宽50nm的纳米线，使用1μm光 刻分辨率，纳米线的宽度相对于旋转错位的灵敏度是47纳米 /度。因此，为了达到2 nm的准确定，精度0.04度将是必要 的，使用常规的掩模对准系统可以很容易实现。
2.方法
❖ 图1中，狭窄硅梁的尺寸可以由下面公式确定： ❖ L f = Ld cos θ − Wd sin θ ❖ Wf = Wd cos θ − Ld sin θ ❖ Ld和Wd是硬掩膜上最初定义的尺寸，Lf和Wf是所
产生的Si梁尺寸，θ是引入的错位角（在图1表示）。 最终尺寸灵敏度为：
W f ❖ = −Ld sinθ− Wd cos θ
纳米加工技术最全PPT
❖ 1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍， 成为纳米技术研究的热点，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤 维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。
❖ 1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制 成功速度和存储容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。
当STM在恒流状态下工作时，突然缩短针尖与样品的间距或在针尖与样品的偏置电压上加一脉冲，针尖下样品表面微区中将会出现毫
微米级的坑、丘等结构上的变化。 5nm，将现有光盘的存储能力提高100万倍
妙
的 美国总统克林顿曾经宣布成立美国国家纳米研究机构，承诺提供50亿美元进行这方面的尝试。
微 STM在场发射模式时，针尖与样品仍相当接近，此时用不很高的外加电压（最低可到10V左右）就可产生足够高的电场，电子在其作
相当于4倍原子大小，比单个细菌的长度还要小。
扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。
2000年，中科院物理所真空物理开放实验室高鸿钧领导的科研小组，将超高密度存储材料的信息存储点下降到0.
就如同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要被分析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成）。
奇 移动针尖进行刻写的办法主要有两种
纳米技术的发展简史
❖ 1959年，诺贝尔奖获得者、量子物理学家理查德.费曼（Richard Feynman）提出可以从 单个分子甚至单个原子开始组装制造物品，这是关于纳米科技的最早的梦想和预言。
❖ 1974年，日本学者谷口纪男（Taniguchi Norio）教授在CIRP上首次提出“Nanotechnology工技术
纳米
❖ 纳米（符号为nm）是长度单位，原称毫微米， 就是10^-9米（10亿分之一米），即10^-6毫 米（100万分之一毫米）。如同厘米、分米 和米一样，是长度的度量单位。相当于4倍原 子大小，比单个细菌的长度还要小。
❖ 1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制 成功速度和存储容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。
当STM在恒流状态下工作时，突然缩短针尖与样品的间距或在针尖与样品的偏置电压上加一脉冲，针尖下样品表面微区中将会出现毫
微米级的坑、丘等结构上的变化。 5nm，将现有光盘的存储能力提高100万倍
妙
的 美国总统克林顿曾经宣布成立美国国家纳米研究机构，承诺提供50亿美元进行这方面的尝试。
微 STM在场发射模式时，针尖与样品仍相当接近，此时用不很高的外加电压（最低可到10V左右）就可产生足够高的电场，电子在其作
相当于4倍原子大小，比单个细菌的长度还要小。
扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。
2000年，中科院物理所真空物理开放实验室高鸿钧领导的科研小组，将超高密度存储材料的信息存储点下降到0.
就如同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要被分析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成）。
奇 移动针尖进行刻写的办法主要有两种
纳米技术的发展简史
❖ 1959年，诺贝尔奖获得者、量子物理学家理查德.费曼（Richard Feynman）提出可以从 单个分子甚至单个原子开始组装制造物品，这是关于纳米科技的最早的梦想和预言。
❖ 1974年，日本学者谷口纪男（Taniguchi Norio）教授在CIRP上首次提出“Nanotechnology工技术
纳米
❖ 纳米（符号为nm）是长度单位，原称毫微米， 就是10^-9米（10亿分之一米），即10^-6毫 米（100万分之一毫米）。如同厘米、分米 和米一样，是长度的度量单位。相当于4倍原 子大小，比单个细菌的长度还要小。
聚焦离子束微纳加工技术PPT课件
• 图形发生器的功能是编制要制作的图形或接 受用户的图形数据，形成FIB系统能识别的图 形数据；根据图形加工要求对图形数据晶型 处理和编制图形加工过程；控制束偏转器、 束闸和X-Y工件台进行图形加工。
• 束偏转器有静电偏转器和磁偏转器。其主要 作用是使离子束发生小角度偏转。
• 束闸通常是通过偏转离子束使其偏离安装在 交叉斑附近的束闸光阑，达到截止离子束的 目的。
光子发射 材料溅射 辐射损伤 化学化变学化变化 材料加热
第22页/共32页
聚焦离子束与固体材料表面的相互作用
入射离子注入 反弹注入
入射离子背散射 二次离子发射 二次电子发射
• 具有高能量的离子轰击固 体表面是材料加热，热量 自离子入射点向周围扩散
光子发射 材料溅射 辐射损伤 化学变化 材料材加料热加热
离子质谱仪
• 离子束具有能使某些高分子有机物发生交联或降 解反应的功能，可用于抗蚀剂曝光。离子束曝光 有三种方法：扫描离子束曝光、掩模离子束曝光 和投影离子束曝光。
• 离子束曝光的优点： 1.高图形分辨率 2.曝光速度快 3.无临近效应 4.良好的曝光宽容度 5.可实现无抗蚀剂直接曝光
• 离子束曝光的缺点： 1.对衬底材料有损伤 2.曝光速度有限制
第23页/共32页聚焦离来自束的应用FIB无F掩IB无模掩离模子离注子入注入
FIB溅射刻蚀加工
FIB诱导沉积应用
离子束曝光 扫描离子显微镜和二次
离子质谱仪
• 聚焦离子束在计算机的控制下，是注入杂质以一 定的空间分布注入晶片材料表面；然后退火，是 注入原子与半导体晶格原子具有不同的价电位， 电荷载流子就产生了。
高温，热量从入射点以半球
形或圆柱状向空间扩散，高
+
• 束偏转器有静电偏转器和磁偏转器。其主要 作用是使离子束发生小角度偏转。
• 束闸通常是通过偏转离子束使其偏离安装在 交叉斑附近的束闸光阑，达到截止离子束的 目的。
光子发射 材料溅射 辐射损伤 化学化变学化变化 材料加热
第22页/共32页
聚焦离子束与固体材料表面的相互作用
入射离子注入 反弹注入
入射离子背散射 二次离子发射 二次电子发射
• 具有高能量的离子轰击固 体表面是材料加热，热量 自离子入射点向周围扩散
光子发射 材料溅射 辐射损伤 化学变化 材料材加料热加热
离子质谱仪
• 离子束具有能使某些高分子有机物发生交联或降 解反应的功能，可用于抗蚀剂曝光。离子束曝光 有三种方法：扫描离子束曝光、掩模离子束曝光 和投影离子束曝光。
• 离子束曝光的优点： 1.高图形分辨率 2.曝光速度快 3.无临近效应 4.良好的曝光宽容度 5.可实现无抗蚀剂直接曝光
• 离子束曝光的缺点： 1.对衬底材料有损伤 2.曝光速度有限制
第23页/共32页聚焦离来自束的应用FIB无F掩IB无模掩离模子离注子入注入
FIB溅射刻蚀加工
FIB诱导沉积应用
离子束曝光 扫描离子显微镜和二次
离子质谱仪
• 聚焦离子束在计算机的控制下，是注入杂质以一 定的空间分布注入晶片材料表面；然后退火，是 注入原子与半导体晶格原子具有不同的价电位， 电荷载流子就产生了。
高温，热量从入射点以半球
形或圆柱状向空间扩散，高
+
微纳加工PPT
1、晶圆处理工序
• 本工序的主要工作是在晶圆上制作电路及 电子元件（如晶体管、电容、逻辑开关 等），其处理程序通常与产品种类和所使 用的技术有关，但一般基本步骤是先将晶 圆适当清洗，再在其表面进行氧化及化学 气相沉积，然后进行涂膜、曝光、显影、 蚀刻、离子植入、金属溅镀等反复步骤， 最终在晶圆上完成数层电路及元件加工与 制作。
微纳技术的重要地位
• 微纳技术是继IT、生物之后。21世纪最具 发展潜力的高新技术，是未来十年高增长 的新兴产业。也是高新技术产业发展新的 增长点，同样也是当今高科技发展的重要 领域之一。
数码相机的镜头， 数码相机的镜头，镜片生产方式
• 一、光学冷加工（传统的生产方式） • 二、以冲压形式生产
冲压式生产时的模床控制与加工精 度
• 冲压式生产的设备都是特制的，控制采用 开放式工业级计算机架构，外接普通笔记 本电脑，应用VB编程实现对马达与盛物台 的控制。马达基本控制采用omoron变频器 实现转速控制。马达是气动的，采用压缩 空气做支撑与驱动，当然采用别的形式也 行。马达转速要求20000+—1每分。冲压采 用机器人自动冲压，真空加热炉中采用类 似于磁控管方式实现急热，冷却时使用氮 气。
硬盘加工
• 硬盘作为计算机数据存储的主要部件，其 磁存储密度不断上升，磁头与磁盘磁介质 之间的距离进一步减小，对磁盘表面质量 的要求也越来越高。
• 一方面，当硬盘表面具有波度时，磁头就 会随着高速旋转的存储器硬盘的波动上下 运动，当波度超过一定的高度时，磁头就 不再能随着波度运动，它就会与磁盘基片 表面碰撞，发生所谓的“磁头压碎”导致 磁盘设备发生故障或读写信息的错误。
3、构装工序
• 就是将单个的晶粒固定在塑胶或陶瓷制的 芯片基座上，并把晶粒上蚀刻出的一些引 接线端与基座底部伸出的插脚连接，以作 为与外界电路板连接之用，最后盖上塑胶 盖板，用胶水封死。其目的是用以保护晶 粒避免受到机械刮伤或高温破坏。到此才 算制成了一块集成电路芯片（即我们在电 脑里可以看到的那些黑色或褐色，两边或 四边带有许多插脚或引线的矩形小块）。
《微纳加工技术》课件
聚焦离子束技术
特点：精度高、可控性好、 可加工复杂结构
原理：利用高能量的离子束 轰击材料表面，形成微纳结 构
应用：微纳电子、微纳光学、 微纳机械等领域
发展趋势：与光刻技术相结 合，提高加工精度和效率
化学气相沉积技术
原理：通过化学反应在气相中形成 薄膜
应用：广泛应用于微电子、光电子 等领域
添加标题
热管理：微纳加工 技术用于制造高性 能的热管理设备， 如热交换器、散热 器等
06
微纳加工技术的挑战与 展望
微纳加工技术的挑战
精度要求高：需要达到纳 米级精度
材料选择困难：需要选择 适合微纳加工的材料
工艺复杂：需要掌握多种 微纳加工工艺
成本高昂：微纳加工设备 的研发和制造成本高
微纳加工技术的发展趋势
2004年，美国科学家查尔斯·利伯发明 纳米碳管，为纳米材料研究提供新方向
2010年，美国科学家乔治·怀特塞兹发 明石墨烯，为纳米电子学研究提供新领 域
03
微纳加工技术的基本原 理
微纳加工技术的物理基础
微纳加工技术的基本原理： 利用物理或化学方法，在微 米或纳米尺度上对材料进行 加工
物理基础：包括光学、电学、 磁学、热学等物理原理
微纳加工技术在生物医学 领域的应用
微纳加工技术在生物医学 领域的优势
微纳加工技术在生物医学 领域的挑战
微纳加工技术在生物医学 领域的未来发展趋势
能源领域的微纳加工技术应用
太阳能电池：微纳 加工技术用于提高 太阳能电池的效率 和稳定性
燃料电池：微纳加 工技术用于制造高 性能的燃料电池电 极
储能设备：微纳加 工技术用于制造高 性能的储能设备， 如超级电容器、锂 离子电池等
(完整版)微纳加工
有2—3nm。最精确也是最灵活的方法是聚焦离子束或者聚焦电子 束辅助沉积。聚焦电子束的沉积结果更准确但效率较低。
19
2、应用
（1）利用类似的技术可以用来缩小孔的直径。 步骤：①薄膜沉积，孔缩小的程度与薄膜沉积的厚度有关；
②通过各向异性刻蚀去除衬底表面和孔底的薄膜； ③图形转移。 （2）利用这一个技术也可以密封的沟道。 步骤：①通过各向异性刻蚀获得矩形沟槽； ②通过各向同性刻蚀将矩形沟槽变成圆形截面沟槽； ③薄膜沉积，保护沟槽的开口 ④通过原子层沉积（ALD）填充沟槽内壁，随着沉积
二氧化硅纳米球阵列还可以作为微透镜阵列。每一 个二氧化硅都是一个球形透镜，可以将入射光汇聚 成一点。
35
纳米球阵列刻蚀掩膜
将二氧化硅小球排列在光刻胶层上，入射光进入球 透镜阵列会聚对光刻胶曝光，显影后在光刻胶上形 成孔阵列。小孔的大小不仅与球透镜会聚光斑的大 小有关，还与曝光剂量有关。
如用0.97微米直径的二氧化硅小球和365nm波长紫外光 可以在光刻胶上得到250nm的孔阵列。若要制作100nm 以下的孔阵列，需要用深紫外波长的光源曝光。
将镀膜后的样品放在氯乙酸中，将聚苯乙烯纳米球溶解， 最后在衬底材料表面留下纳米金属点阵。
33
图示金属点阵
如图所示，这些只有几十个纳米的金属点 阵可以用于量子点器件、高密度磁存储器 件等应用。
34
纳米球阵列刻蚀掩膜
纳米球阵列可以做刻蚀掩膜，将纳米球阵列的间隙 图形转移到衬底材料上，此处需要二氧化硅纳米球 阵列做掩膜，刻蚀形成纳米孔的点阵。
22
1、定义
垂直抽减加工方法： 基于与侧壁沉积间接加工相反过程实现纳米尺度结
构的间接加工。 侧壁沉积
以沉积的薄膜作为最后的图形结构，而支撑结构在 最后一步加工中被清除。 垂直抽减则是将侧壁的薄膜刻蚀清除，以清除后留下 来的间隙作为最后的图形结构。
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2、应用
（1）利用类似的技术可以用来缩小孔的直径。 步骤：①薄膜沉积，孔缩小的程度与薄膜沉积的厚度有关；
②通过各向异性刻蚀去除衬底表面和孔底的薄膜； ③图形转移。 （2）利用这一个技术也可以密封的沟道。 步骤：①通过各向异性刻蚀获得矩形沟槽； ②通过各向同性刻蚀将矩形沟槽变成圆形截面沟槽； ③薄膜沉积，保护沟槽的开口 ④通过原子层沉积（ALD）填充沟槽内壁，随着沉积
二氧化硅纳米球阵列还可以作为微透镜阵列。每一 个二氧化硅都是一个球形透镜，可以将入射光汇聚 成一点。
35
纳米球阵列刻蚀掩膜
将二氧化硅小球排列在光刻胶层上，入射光进入球 透镜阵列会聚对光刻胶曝光，显影后在光刻胶上形 成孔阵列。小孔的大小不仅与球透镜会聚光斑的大 小有关，还与曝光剂量有关。
如用0.97微米直径的二氧化硅小球和365nm波长紫外光 可以在光刻胶上得到250nm的孔阵列。若要制作100nm 以下的孔阵列，需要用深紫外波长的光源曝光。
将镀膜后的样品放在氯乙酸中，将聚苯乙烯纳米球溶解， 最后在衬底材料表面留下纳米金属点阵。
33
图示金属点阵
如图所示，这些只有几十个纳米的金属点 阵可以用于量子点器件、高密度磁存储器 件等应用。
34
纳米球阵列刻蚀掩膜
纳米球阵列可以做刻蚀掩膜，将纳米球阵列的间隙 图形转移到衬底材料上，此处需要二氧化硅纳米球 阵列做掩膜，刻蚀形成纳米孔的点阵。
22
1、定义
垂直抽减加工方法： 基于与侧壁沉积间接加工相反过程实现纳米尺度结
构的间接加工。 侧壁沉积
以沉积的薄膜作为最后的图形结构，而支撑结构在 最后一步加工中被清除。 垂直抽减则是将侧壁的薄膜刻蚀清除，以清除后留下 来的间隙作为最后的图形结构。
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微纳加工技术ห้องสมุดไป่ตู้
孟祥坤 1306化工过程机械 2013年10月28日
微镊子
微镜阵列
微马达
微继电器
微铰链
微纳加工技术概述
• 微纳米加工技术是指加工形成的部件或结构本身的尺寸在 微米或纳米量级，正是微纳米加工技术的发展促进了集成 电路的发展, 导致集成电路的集成度以每 18 个月翻一番的 速度提高.
• 微纳加工技术往往牵涉材料的原子级尺度。 • 纳米技术是指有关纳米级（0.1-100ｎｍ）的材料、设计、
• ( 2 ) 平面工艺一般只能形 成二维平面物理结构, 或准 三维结构, 而不是真正的三维系统. 平面工艺形成的三维 结构是通过多层二维结构叠加而成的;
• ( 3 )平面工艺形成的是整个系统, 而不是单个部件. 由 于每个部件如此之小, 根本无法按传统的先加工分立部件 然后装配成系统的途径. 所以系统中的每个部件以及它们 之间的关系是在平面加工过程中形成的.
• 集成电路制造的平 面工艺概括起来为 4 个 基本方面：
( 1 ) 薄膜沉积 包括各种氧化膜, 多晶硅膜, 金属膜等
( 2 ) 图形化 所谓图形化是在硅基底和沉积的薄膜上形成各 种电路图形. 这包括光刻和刻蚀两个方面. 更确切地说, 图 形化是集成电路微纳米加工的核心.
( 3 ) 掺杂 晶体管的载流子区通过掺杂形成, 掺杂包括热扩散 掺杂和离子注入掺杂
其特点是具有超高分辩率 ,高产量 ,低成本 。
1. 高分辩率是因为它没有光学曝光中的衍射现象和电子束 曝光中的散射现象 。
2. 高产量是因为它可以象光学曝光那样并行处理 , 同时 制作成百上千个器件 。
3 . 低成本是因为它不象光学曝光机那样需要复杂的光学 系统或象电子束曝光机那样需要复杂的电磁聚焦系统 。
• 腐蚀技术包括化学液体湿法腐蚀和各种等离子体干法刻蚀.
a.湿法腐蚀是将硅片浸没于某种化学溶剂中，该溶剂与 暴露的区域发生反应，形成可溶解的副产品。
根据腐蚀效果可以将湿法腐蚀分为各向同性腐蚀和各 向异性腐蚀。
b.干法刻蚀是利用反应性气体或离子流进行腐蚀的方法。 干法刻蚀既可以刻蚀非金属材料，也可以刻蚀多种金属； 既可以各向同性刻蚀，也可以各向异性刻蚀。干法刻蚀按 原理来分可分为：离子刻蚀技术，包括溅射刻蚀和离子束 刻蚀，其腐蚀机理是物理溅射；等离子体刻蚀技术，在衬 底表面产生纯化学反应腐蚀；反应离子刻蚀技术，它是化 学反应和物理溅射效应的综合。
制造、测量、控制和产品的技术。 • 纳米技术是科技发展的一个新兴领域，它不仅仅是关于如
何将加工和测量精度从微米级提高到纳米级的问题，也是 关于人类对自然的认识和改造如何从宏观领域进入到微观 领域。
微纳加工技术分类
1.平面工艺
2 探针工艺
3 模型工艺
平面工艺
• 图 1 描绘了平面工艺的基本步骤. 平面工艺依 赖于光刻技术 （集成电路制造中利用光学- 化学反应原理和化学、物理刻 蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效 图形窗口或功能图形的工艺技术）. 首先将一层光敏物质感 光, 通过显影使感光层受到辐射的部分或未受到辐射的部分 留在基底材料表面, 它代表了设计的图案. 然后通过材料沉积 或腐蚀将感光层的图案转移到基底材料表面. 通过多层曝光, 腐蚀或沉积, 复杂的微纳米结构可以从基底材料上构筑起来. 这些图案的曝光可以通过光学掩模投影实现, 也可以通过直 接扫描激光束, 电子束或离子束实现.
( 4 ) 热处理 离子注入后通过热处理可以恢复由离子轰击造 成的晶格错位, 热处理也可以使沉积的金属膜与基底合金 化, 形成稳固的导电层.
平面微纳米加工技术虽然主要应用于集成电路制造, 但近年来 微系统技术中也大量应用平面工艺制作各种微机械、 微流体和 微光机电器件等
探针工艺
• 探针工艺可以说是传统机械加工的延伸, 这里各种微纳米尺寸的探针取代了 传统的 机械切 削工具.微纳米探针不仅包括诸如扫 描隧道显微探针, 原子力显微探针等固态形 式的探针, 还包括聚焦离子束, 激光束, 原子 束和火花放电微探针等非固态形式的探针.
纳米压印的具体工艺由于材料 、 目标图形和产品用途的不 同而不同 , 但其基本原理和工作程序是相同的 。
模型工艺
模型工艺则是利用微纳米尺寸的模具复制出 相应的微纳米结构. 模型工艺包括纳米压印技术, 塑料模压技术和模铸技术.
纳米压印技术
• 1995年华裔科学家周郁（Stephen Chou）提出 了纳米压印光刻的思想。纳米压印是利用含有纳 米图形的图章压印到软化的有机聚合物层上.它是 一种全新的纳米图形复制方法 。
飞秒激光加工技术
• 飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间非常短 ，只有几个飞秒（一飞秒是10-15秒）
• 飞秒激光的特点
1、飞秒激光是我们人类目前在实验条件下能够获得的最短 脉冲，它的精确度是± 5 微米;
2、飞秒激光有非常高的瞬间功率，它的瞬间功率可达百万 亿瓦，比目前全世界的发电总功率还要多出上百倍;
此外还包括材料沉积技术包括热蒸发沉积,化学气相沉积或电 铸沉积.
平面工艺不同于传统机械加工的原因:
• ( 1 )微纳米结构由曝光方法形成, 而不是加工工具与材 料的直接相互作用. 所以限制加工结构尺寸的不是加工工 具本身的尺寸, 而是成像系统的分辨率, 例如光波的波长 , 激光束, 电子束或离子束直径;
3 物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现象，气态的 物质、液态的物质、固态的物质瞬间都会变成等离子
4、飞秒激光具有精确的靶向聚焦定位特点，能够聚焦到比 头发的直径还要小的多的超细微空间区域;
飞秒激光加工技术应用举例
加工前探针的扫描电镜分析图
加工后探针的扫描电镜分析图
利用飞秒激光纳米加工系统得 到的PMMA材料直线图形
因此纳米压印可望成为一种工业化生产技术 , 从根本上 开辟了各种纳米器件生产的广阔前景.纳米压印技术已经展 示了广阔的应用领域 。 如用于制作量 子 磁 碟 ，DNA 电 泳 芯 片，G aAs(高频) 光 检 测器，波导起偏器, 硅场效应 管, 高密磁结构, G aAs 量子器件,纳米电机系统和微波集成 电路等
孟祥坤 1306化工过程机械 2013年10月28日
微镊子
微镜阵列
微马达
微继电器
微铰链
微纳加工技术概述
• 微纳米加工技术是指加工形成的部件或结构本身的尺寸在 微米或纳米量级，正是微纳米加工技术的发展促进了集成 电路的发展, 导致集成电路的集成度以每 18 个月翻一番的 速度提高.
• 微纳加工技术往往牵涉材料的原子级尺度。 • 纳米技术是指有关纳米级（0.1-100ｎｍ）的材料、设计、
• ( 2 ) 平面工艺一般只能形 成二维平面物理结构, 或准 三维结构, 而不是真正的三维系统. 平面工艺形成的三维 结构是通过多层二维结构叠加而成的;
• ( 3 )平面工艺形成的是整个系统, 而不是单个部件. 由 于每个部件如此之小, 根本无法按传统的先加工分立部件 然后装配成系统的途径. 所以系统中的每个部件以及它们 之间的关系是在平面加工过程中形成的.
• 集成电路制造的平 面工艺概括起来为 4 个 基本方面：
( 1 ) 薄膜沉积 包括各种氧化膜, 多晶硅膜, 金属膜等
( 2 ) 图形化 所谓图形化是在硅基底和沉积的薄膜上形成各 种电路图形. 这包括光刻和刻蚀两个方面. 更确切地说, 图 形化是集成电路微纳米加工的核心.
( 3 ) 掺杂 晶体管的载流子区通过掺杂形成, 掺杂包括热扩散 掺杂和离子注入掺杂
其特点是具有超高分辩率 ,高产量 ,低成本 。
1. 高分辩率是因为它没有光学曝光中的衍射现象和电子束 曝光中的散射现象 。
2. 高产量是因为它可以象光学曝光那样并行处理 , 同时 制作成百上千个器件 。
3 . 低成本是因为它不象光学曝光机那样需要复杂的光学 系统或象电子束曝光机那样需要复杂的电磁聚焦系统 。
• 腐蚀技术包括化学液体湿法腐蚀和各种等离子体干法刻蚀.
a.湿法腐蚀是将硅片浸没于某种化学溶剂中，该溶剂与 暴露的区域发生反应，形成可溶解的副产品。
根据腐蚀效果可以将湿法腐蚀分为各向同性腐蚀和各 向异性腐蚀。
b.干法刻蚀是利用反应性气体或离子流进行腐蚀的方法。 干法刻蚀既可以刻蚀非金属材料，也可以刻蚀多种金属； 既可以各向同性刻蚀，也可以各向异性刻蚀。干法刻蚀按 原理来分可分为：离子刻蚀技术，包括溅射刻蚀和离子束 刻蚀，其腐蚀机理是物理溅射；等离子体刻蚀技术，在衬 底表面产生纯化学反应腐蚀；反应离子刻蚀技术，它是化 学反应和物理溅射效应的综合。
制造、测量、控制和产品的技术。 • 纳米技术是科技发展的一个新兴领域，它不仅仅是关于如
何将加工和测量精度从微米级提高到纳米级的问题，也是 关于人类对自然的认识和改造如何从宏观领域进入到微观 领域。
微纳加工技术分类
1.平面工艺
2 探针工艺
3 模型工艺
平面工艺
• 图 1 描绘了平面工艺的基本步骤. 平面工艺依 赖于光刻技术 （集成电路制造中利用光学- 化学反应原理和化学、物理刻 蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效 图形窗口或功能图形的工艺技术）. 首先将一层光敏物质感 光, 通过显影使感光层受到辐射的部分或未受到辐射的部分 留在基底材料表面, 它代表了设计的图案. 然后通过材料沉积 或腐蚀将感光层的图案转移到基底材料表面. 通过多层曝光, 腐蚀或沉积, 复杂的微纳米结构可以从基底材料上构筑起来. 这些图案的曝光可以通过光学掩模投影实现, 也可以通过直 接扫描激光束, 电子束或离子束实现.
( 4 ) 热处理 离子注入后通过热处理可以恢复由离子轰击造 成的晶格错位, 热处理也可以使沉积的金属膜与基底合金 化, 形成稳固的导电层.
平面微纳米加工技术虽然主要应用于集成电路制造, 但近年来 微系统技术中也大量应用平面工艺制作各种微机械、 微流体和 微光机电器件等
探针工艺
• 探针工艺可以说是传统机械加工的延伸, 这里各种微纳米尺寸的探针取代了 传统的 机械切 削工具.微纳米探针不仅包括诸如扫 描隧道显微探针, 原子力显微探针等固态形 式的探针, 还包括聚焦离子束, 激光束, 原子 束和火花放电微探针等非固态形式的探针.
纳米压印的具体工艺由于材料 、 目标图形和产品用途的不 同而不同 , 但其基本原理和工作程序是相同的 。
模型工艺
模型工艺则是利用微纳米尺寸的模具复制出 相应的微纳米结构. 模型工艺包括纳米压印技术, 塑料模压技术和模铸技术.
纳米压印技术
• 1995年华裔科学家周郁（Stephen Chou）提出 了纳米压印光刻的思想。纳米压印是利用含有纳 米图形的图章压印到软化的有机聚合物层上.它是 一种全新的纳米图形复制方法 。
飞秒激光加工技术
• 飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间非常短 ，只有几个飞秒（一飞秒是10-15秒）
• 飞秒激光的特点
1、飞秒激光是我们人类目前在实验条件下能够获得的最短 脉冲，它的精确度是± 5 微米;
2、飞秒激光有非常高的瞬间功率，它的瞬间功率可达百万 亿瓦，比目前全世界的发电总功率还要多出上百倍;
此外还包括材料沉积技术包括热蒸发沉积,化学气相沉积或电 铸沉积.
平面工艺不同于传统机械加工的原因:
• ( 1 )微纳米结构由曝光方法形成, 而不是加工工具与材 料的直接相互作用. 所以限制加工结构尺寸的不是加工工 具本身的尺寸, 而是成像系统的分辨率, 例如光波的波长 , 激光束, 电子束或离子束直径;
3 物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现象，气态的 物质、液态的物质、固态的物质瞬间都会变成等离子
4、飞秒激光具有精确的靶向聚焦定位特点，能够聚焦到比 头发的直径还要小的多的超细微空间区域;
飞秒激光加工技术应用举例
加工前探针的扫描电镜分析图
加工后探针的扫描电镜分析图
利用飞秒激光纳米加工系统得 到的PMMA材料直线图形
因此纳米压印可望成为一种工业化生产技术 , 从根本上 开辟了各种纳米器件生产的广阔前景.纳米压印技术已经展 示了广阔的应用领域 。 如用于制作量 子 磁 碟 ，DNA 电 泳 芯 片，G aAs(高频) 光 检 测器，波导起偏器, 硅场效应 管, 高密磁结构, G aAs 量子器件,纳米电机系统和微波集成 电路等