微细加工

微细加工一、微细加工定义从广义的角度来讲，微细加工是指所有制造微小尺寸零件的加工技术。从狭义的角度来讲，微细加工主要是指半导体集成电路制造技术。二、加工成形原理去除加工：车削、铣削、磨削、电火花加工结合加工：附着：电镀、气相沉积注入：氧化、渗碳、离子注入连接：焊接、粘接变形加工：锻造、铸造、液晶定向气相沉积化学气相沉积（CVD：ChemicalVaporDeposition)：将低温气化的物质在气化室内加热，使其在基板上反映或分解，沉积生成物于基板上的技术。沉积材料包括单晶硅、多晶硅、SiO2、Si3N4以及PSG、金属等。物理气相沉积（PVD：physicalvapordeposition）：包括真空蒸发沉积法以及溅射法等。真空蒸发沉积是在高真空中将材料加热使其蒸发，沉积金属膜的场合较多，使用电子束加热，能够使高融点材料蒸发。溅射是在低真空的电极间产生Ar等的等离子体，利用离子的能量将阴极的材料溅射到阳极的基板表面沉积成膜的技术，能够沉积金属、化合物、合金等许多材料。三、微细加工方法硅微细加工LIGA技术微细切削技术：微细车削、铣削、微孔加工，磨料加工微细电加工：微细电火花加工、微细电铸、微细电解加工微细高能束流加工：激光加工、电子束加工、离子束加工3.1硅微细加工3.1.1工艺过程基底光刻胶正胶负胶显影去胶腐蚀在硅表面用图形复印和腐蚀的方法制备出一定的图形结构的过程。掩膜板制作根据需要，首先进行计算机辅助图形设计，然后按照设计好的图形经电子束曝光机制作掩膜板。常用人造石英作为掩膜板材料，其上覆盖一层硬质材料，如铬、氧化铬、氧化铁等。基底表面材料预处理采取打磨、抛光、脱脂、酸洗、水洗等方法，对硅材料表面进行光整和净化处理，以保证光刻胶与基底表面有良好的附着力。涂胶光致抗蚀剂，在基础聚合物的基础上添加抗刻蚀物质、光敏物质与保护物质。当曝光发生时，抗蚀剂发生光化学反应，聚合物分解，光敏物质脱离聚合物。同时，与其连接的保护物质也离开了基础聚合物，当显影发生时，由于整个聚合物失去了保护物质的保护，显影液与其发生反应使之溶解。而未受到曝光的部分由于保护物质的存在与显影液之间基本不发生反应，从而保留在衬底表面，聚合物中存在的抗刻蚀物质将在后道刻蚀工艺中对衬底起到保护作用。接触式：掩膜板直接和涂有光致抗蚀剂的半导体基片接触，通过抽真空方法调节压力。高分辨率、设备简单、操作方便、生产效率高、成本低；因机械接触容易损伤模板，使用寿命短，多次使用严重影响芯片成品率。衍射效应使进一步提高光刻分辨率和对准精度有困难。接近式：光掩膜和基片之间保持相距很近的距离，利用高度平行光束进行曝光。避免玷污和损伤；衍射效应会使分辨率变坏。为了提高光刻分辨率，在基片平整度和机械控制精度允许条件下，应尽量保持小的间隙或减小曝光所用的波长。光学投影成像曝光技术：用光学投影的方法将掩膜版图形的影像（以等倍方式或缩小的方式）投影在半导体基片表面上，这时掩膜版作为光学成像系统的物方，基片表面上的光致抗蚀剂层为像方。由于投影成像曝光是把掩模图形的像直接投影在光致抗蚀剂层上，从而有效地克服了光衍射效应的影响，提高了光刻分辨率与对准精度。得到接触式光刻的高分辨率，而又避免接触式光刻容易产生缺陷的弊端。曝光显影和坚膜正胶的曝光部分在显影液中溶解，被去除；负胶的未曝光部分在显影液中溶解，被去除。用定影液固定图形。由于显影时胶层浸泡在显影液中会发生溶胀，软化，需要烘干，使胶层坚固，增强抗蚀性。腐蚀、去胶湿法腐蚀：利用材料的化学特性将材料在特定的溶液中溶解掉。高选择比、均匀性和对硅片损伤少；图形保真性不强，横向、过腐蚀严重，属于各向同性腐蚀。干法腐蚀：利用气态的原子、分子与表面薄膜反应，形成挥发性物质，或直接轰击薄膜表面使之被腐蚀的工艺。能实现各向异性刻蚀，即纵向的刻蚀速率远大于横向刻蚀速率，保证细小图形转移后的保真度。化学性干法刻蚀：利用等离子体离化反应气体，使之和被腐蚀的薄膜反应生成可挥发的物质。物理性干法刻蚀：借助于等离子体的加速能量，使之和被腐蚀的薄膜发生碰撞达到铣蚀的目的。介于两者间的反应离子刻蚀（RIE）：同时利用了上述方法的优势。当前REI及其改进方式（HDRIE、ICP、ECR、MERIE等）已成为深亚微米集成电路生产中的主流腐蚀工艺。REI是一个很复杂的过程，由刻蚀的反应气体种类、气压、流量、温度、产生等离子体的射频频率/功率等因素决定。用REI法腐蚀不同的薄膜对应不同的反应气体。3.2LIGA技术3.2.1定义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（工艺流程如图所示），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。可以是最终产品，也可作为微塑铸的模具微塑铸：在塑料注入前将微孔中的空气抽掉，控温二次微电铸3.2.2工艺流程图3.2.2.1电铸与电镀相同可采用化学度：基于化学氧化还原反应，不需电源，不存在电流分布不均匀的问题；化学镀具有镀层厚度均匀、针孔少、不受工件几何形状限制，适合体积小、形状复杂的镀件；工艺过程复杂，需要粗化、敏化、活化等步骤，故采用仍较少。图3.2.2.23.2.3特点可制造较大高宽比的结构(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，波长短，穿透力强)；取材广泛，可以是金属、陶瓷、聚合物、玻璃等；可制作任意截面形状图形结构，加工精度高；可重复复制，符合工业上大批量生产要求，制造成本相对较低等。3.2.4应用已制造出微米尺度的微齿轮、微过滤器、微红外滤波器、微加速度传感器、微型涡轮、光纤耦合器和光谱仪等多种结构器件。3.3微细切削技术机械切削加工，由于切削力的产生，一般认为不适于微型机械的加工制作。但超精密加工已成功地制作出尺寸在10-100μm的微小三维构件。电离-击穿放电-腐蚀消电离图3.43.4微细电火花加工3.4.1特点材料去除依靠热作用，材料可加工性主要取决于其导电性能和热学性能，与硬度、强度等无关。因此可用相对较软的材料作为电极加工高硬度材料。可加工的材料范围广，包括导电材料和多种半导体材料。由于电火花加工利用电能，因此便于实现加工过程的自动化、数字控制和智能控制。电火花加工过程中的放电力非常微弱，故适宜加工低刚度工件，电极也可以很“单薄”。通过调节脉冲放电参数可以控制材料去除量，若想减小放电坑大小，只需减小放电脉冲能量，实施简单而且方便。3.4.2工艺措施采用微能电源，精确控制微量进给外，微细电极的制造和安装也是关键。WEDG：线电极电火花磨削技术，采用运动电极丝对电极坯材反拷加工，电极丝往复运动以弥补损耗引起的丝径变化，同时由于电极与工件之间放电区域很小，且放电点被强制转移，因此易于实现微能精确放电。基于LIGA的微细电火花加工：利用LIGA技术为微细电火花加工提供电极制备手段。微细电火花线切割加工：采用金属丝作为电极，与工件之间形成放电，利用电极丝与工件相对运动切割出复杂的二维或二维半图形。3.4.3应用3.5电化学制造技术电化学制造技术按原理分两类：基于阴极沉积原理的增材制造技术，如精密电铸、电刷镀等；基于阳极溶解原理的减材制造技术，如电解加工、电抛光等。加工过程都以离子形式进行。由于离子的尺寸非常微小，因此电化学制造技术的这种微去除方式使得它在微细制造领域，以至于纳米制造领域有着很大的发展潜能。3.5.1微细电铸3.5.1.1工艺设计制造铸模：根据设计图样或采用实物复制的方法制造铸模，常用的铸模材料有不锈钢、铝、钛、环氧树脂、有机玻璃等。导电层、分离层处理：对非金属铸模进行导电化处理，对金属铸模表面进行分离层处理。电沉积金属：将铸模放入电解槽，利用电化学沉积原理在铸模上沉积金属。常见的电铸金属种类有镍、铜、铁等单金属或镍钴、镍锰等合金。脱模和背衬处理：在电铸层达到需要的厚度后，采用机械或化学方法把沉积金属与铸模分离，并根据需求在非加工表面加固背衬。3.5.1.2特点具有极高的复制精度和重复精度。适用范围广。尺寸可在很大范围内变化；可以使难以加工的精密内型面变为易加工的外型面，因此可广泛用于具有精密、复杂内型面零件的制造。电铸制品性能的可控性强。通过改变金属种类、电铸液配方和工艺参数，或采取使用添加剂等措施，电铸制品的力学性能和物理性能可在很大范围内变化。成本低。设备投资较少，加工余量较小，废品可作为阳极材料重新使用，铸模和电铸液也可重复使用。3.5.1.3局限性铸层质量不稳定。易出现麻点、针孔、晶粒粗大、应力过大等缺陷，致使铸层的物理特性和力学性能下降，严重时可造成零件报废。过大的内应力也会使铸层变形、开裂。铸层均匀性差。金属沉积速度一般正比于阴极表面的电流密度，对于复杂型面的铸模，由于电场分布极不均匀，因此电流密度在铸模表面各处不一致，造成不同位置的沉积厚度相差悬殊，从而影响零件性能，而且这种不均匀会随沉积时间的延长而加剧，产生恶性循环，严重降低平均沉积电流密度和沉积速度。加工时间长。如欲获得1mm厚铸层，简单形状的工件需要数小时，复杂工件可能要数十小时。有限的铸种材料性能不能满足所有实际需要。3.5.1.4应用3.5.2微细电解加工电解加工是利用金属产生阳极溶解原理将工件加工成型的一种工艺方法。图3.5.2特点加工范围广。电解加工几乎可以加工所有的导电材料，并且不受材料的强度、硬度、韧性等机械、物理性能的限制。如高温合金、淬火钢、钛合金等。表面质量好。加工不产生变质层，不产生残余应力没有飞边、毛刺，表面粗糙度可达0.2-1.6μm。无工具损耗。在电解加工过程中，阴极上的电化学反应是析出气体，没有材料去除和沉积现象发生（酸性电解液情况除外）。如无短路烧伤、机械碰撞等意外发生，工具阴极可以长期使用。3.6微细高能束流加工主要包括激光加工、电子束加工和离子束加工。特点束流加工不存在工具损耗、工件变形问题；束流可以聚焦成为很细的能量束，进行非常精细的加工；束流便于控制，与数控技术、机器人技术结合，可以实现高度柔性和自动化加工过程。3.6.1激光加工激光加工利用激光能量密度高、方向性好的特点，将光能转变为热能来蚀除材料。3.6.1.1特点激光功率密度大，可加工的材料种类非常广泛，几乎所有的金属和非金属材料都可以加工。从理论上讲激光光斑可以聚焦到微米尺度，所以可以进行多种微细加工。激光是非接触加工，不存在工具损耗，没有明显的机械力，不会产生加工变形。加工速度快。但激光加工出的孔沿轴向呈圆锥状，在有些场合限制了它的应用。激光的位置可控性和过程可控性很好，加工对象的材料、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。激光加工系统与数控技术、机器人技术相结合可构成高效自动化加工设备，能实现优质、高效和低成本的加工。工艺效果与被加工材料密切相关。热学性能（热导率、比热容、沸点等）对激光束反射率（材料种类、表面状态（粗糙度））3.6.1.2激光快速成形技术激光快速成形（LaserRapidPrototyping：LRP）是将CAD、CAM、CNC、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集成的一种全新制造技术。实现了复杂结构零件的“增材制造”过程。图3.6.1.23.6.1.3应用3.6.2电子束加工利用电子的高速运动冲击工件，使动能转变为热能加工材料。包括电子枪、真空系统、控制系统和电源系统。电子束加工主要用于穿孔、刻槽、焊接、镀膜和光刻等领域。在真空中从灼热的灯丝阴极发射出的电子，在高电压(30～200千伏)作用下被加速到很高的速度，通过电磁透镜会聚成一束高功率密度（105～109瓦／厘米2）的电子束。当冲击到工件时，电子束的动能立即转变成为热能，产生出极高的温度，足以使任何材料瞬时熔化、气化，从而可进行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。由于电子束和气体分子碰撞时会产生能量损失和散射，因此，加工一般在真空中进行。图3.6.2特点