第五章-微细加工

第第第第5555章章章章微细加工微细加工微细加工微细加工�微机械与微细加工概述微机械与微细加工概述微机械与微细加工概述微机械与微细加工概述�硅微细加工技术硅微细加工技术硅微细加工技术硅微细加工技术�光光光光刻刻刻刻�微细电火花加工微细电火花加工微细电火花加工微细电火花加工�微细切削加工技术微细切削加工技术微细切削加工技术微细切削加工技术�薄膜气相沉积技术薄膜气相沉积技术薄膜气相沉积技术薄膜气相沉积技术�纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术5.15.15.15.1微机械与微细加工概述微机械与微细加工概述微机械与微细加工概述微机械与微细加工概述1.1.1.1.微机械微机械微机械微机械（（（（1111）微机械的基本特征）微机械的基本特征）微机械的基本特征）微机械的基本特征�体积小、重量轻、结构坚固、精度高。体积小、重量轻、结构坚固、精度高。体积小、重量轻、结构坚固、精度高。体积小、重量轻、结构坚固、精度高。�能耗小、响应快、灵敏度高。能耗小、响应快、灵敏度高。能耗小、响应快、灵敏度高。能耗小、响应快、灵敏度高。�性能稳定、可靠、一致性好。性能稳定、可靠、一致性好。性能稳定、可靠、一致性好。性能稳定、可靠、一致性好。�多功能化和智能化，既能感知环境又能控制环境多功能化和智能化，既能感知环境又能控制环境多功能化和智能化，既能感知环境又能控制环境多功能化和智能化，既能感知环境又能控制环境�适于大批量生产，制造成本低廉适于大批量生产，制造成本低廉适于大批量生产，制造成本低廉适于大批量生产，制造成本低廉。。。。（（（（2222）微机械的主要产品分类）微机械的主要产品分类）微机械的主要产品分类）微机械的主要产品分类�微构件微构件微构件微构件（微薄膜、微轴、微孔、微梁、微探针、（微薄膜、微轴、微孔、微梁、微探针、（微薄膜、微轴、微孔、微梁、微探针、（微薄膜、微轴、微孔、微梁、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微弹簧微连杆、微齿轮、微轴承、微弹簧微连杆、微齿轮、微轴承、微弹簧微连杆、微齿轮、微轴承、微弹簧））））�微传感器（压力传感器、加速度计、位移传感器、微传感器（压力传感器、加速度计、位移传感器、微传感器（压力传感器、加速度计、位移传感器、微传感器（压力传感器、加速度计、位移传感器、流量计、温度传感器、微触觉传感器、微型生物流量计、温度传感器、微触觉传感器、微型生物流量计、温度传感器、微触觉传感器、微型生物流量计、温度传感器、微触觉传感器、微型生物传感器、微型图像传感器、微陀螺仪传感器、微型图像传感器、微陀螺仪传感器、微型图像传感器、微陀螺仪传感器、微型图像传感器、微陀螺仪））））�微执行器微执行器微执行器微执行器（微电机、微阀、微泵、微开关、微扬（微电机、微阀、微泵、微开关、微扬（微电机、微阀、微泵、微开关、微扬（微电机、微阀、微泵、微开关、微扬声器、微谐振器声器、微谐振器声器、微谐振器声器、微谐振器））））�专用微机械器件及系统专用微机械器件及系统专用微机械器件及系统专用微机械器件及系统（人造器官、体内施药及（人造器官、体内施药及（人造器官、体内施药及（人造器官、体内施药及取样微型泵、微型手术机器人取样微型泵、微型手术机器人取样微型泵、微型手术机器人取样微型泵、微型手术机器人））））2.2.2.2.微细加工技术微细加工技术微细加工技术微细加工技术（（（（1111）微细加工技术构成）微细加工技术构成）微细加工技术构成）微细加工技术构成�由由由由ICICICIC工艺技术发展起来的硅微细加工技术工艺技术发展起来的硅微细加工技术工艺技术发展起来的硅微细加工技术工艺技术发展起来的硅微细加工技术�在特种加工和常规切削加工基础上发展形成的微在特种加工和常规切削加工基础上发展形成的微在特种加工和常规切削加工基础上发展形成的微在特种加工和常规切削加工基础上发展形成的微细制造技术细制造技术细制造技术细制造技术�由上述两种技术集成的新方法，如由上述两种技术集成的新方法，如由上述两种技术集成的新方法，如由上述两种技术集成的新方法，如LIGALIGALIGALIGA、、、、LIGA-LIGA-LIGA-LIGA-LIKELIKELIKELIKE等等等等5.15.15.15.1微机械与微细加工概述微机械与微细加工概述微机械与微细加工概述微机械与微细加工概述（（（（2222）微细加工与常规尺寸加工的区别）微细加工与常规尺寸加工的区别）微细加工与常规尺寸加工的区别）微细加工与常规尺寸加工的区别�加工精度的表示方法不同，用绝对精度表示加工精度的表示方法不同，用绝对精度表示加工精度的表示方法不同，用绝对精度表示加工精度的表示方法不同，用绝对精度表示�加工机理存在很大的差异，必须考虑晶粒在加工加工机理存在很大的差异，必须考虑晶粒在加工加工机理存在很大的差异，必须考虑晶粒在加工加工机理存在很大的差异，必须考虑晶粒在加工中的作用中的作用中的作用中的作用�加工特征明显不同加工特征明显不同加工特征明显不同加工特征明显不同，以分离或结合原子、分子为，以分离或结合原子、分子为，以分离或结合原子、分子为，以分离或结合原子、分子为特征特征特征特征�当构件缩小到一定尺寸范围时将出现尺度效应当构件缩小到一定尺寸范围时将出现尺度效应当构件缩小到一定尺寸范围时将出现尺度效应当构件缩小到一定尺寸范围时将出现尺度效应5.25.25.25.2硅微细加工技术硅微细加工技术硅微细加工技术硅微细加工技术1.1.1.1.硅的体微加工硅的体微加工硅的体微加工硅的体微加工�硅的体微加工硅的体微加工硅的体微加工硅的体微加工（（（（bulkmicromachiningbulkmicromachiningbulkmicromachiningbulkmicromachining）技术是）技术是）技术是）技术是指利用刻蚀（指利用刻蚀（指利用刻蚀（指利用刻蚀（EtchingEtchingEtchingEtching）等工艺对块状硅进行准）等工艺对块状硅进行准）等工艺对块状硅进行准）等工艺对块状硅进行准三维结构的微加工，即去除部分基体或衬底材三维结构的微加工，即去除部分基体或衬底材三维结构的微加工，即去除部分基体或衬底材三维结构的微加工，即去除部分基体或衬底材料，以形成所需要的硅微结构。主要包括刻蚀和料，以形成所需要的硅微结构。主要包括刻蚀和料，以形成所需要的硅微结构。主要包括刻蚀和料，以形成所需要的硅微结构。主要包括刻蚀和停止刻蚀两项关键技术。停止刻蚀两项关键技术。停止刻蚀两项关键技术。停止刻蚀两项关键技术。刻蚀法分为湿法刻蚀和干法刻蚀两类刻蚀法分为湿法刻蚀和干法刻蚀两类刻蚀法分为湿法刻蚀和干法刻蚀两类刻蚀法分为湿法刻蚀和干法刻蚀两类。。。。（（（（1111）湿法刻蚀）湿法刻蚀）湿法刻蚀）湿法刻蚀�湿法刻蚀是通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的湿法刻蚀是通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的湿法刻蚀是通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的湿法刻蚀是通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的化学反应将被刻蚀物质剥离下来的刻蚀方法。化学反应将被刻蚀物质剥离下来的刻蚀方法。化学反应将被刻蚀物质剥离下来的刻蚀方法。化学反应将被刻蚀物质剥离下来的刻蚀方法。�湿法刻蚀因基底材料不同可以分为各向同性刻蚀湿法刻蚀因基底材料不同可以分为各向同性刻蚀湿法刻蚀因基底材料不同可以分为各向同性刻蚀湿法刻蚀因基底材料不同可以分为各向同性刻蚀和各向异性刻蚀。和各向异性刻蚀。和各向异性刻蚀。和各向异性刻蚀。①各向同性刻蚀各向同性刻蚀各向同性刻蚀各向同性刻蚀（（（（aaaa））））（（（（bbbb））））图图图图5-15-15-15-1各向同性刻蚀各向同性刻蚀各向同性刻蚀各向同性刻蚀（（（（aaaa）各向同性刻蚀（搅拌）；（）各向同性刻蚀（搅拌）；（）各向同性刻蚀（搅拌）；（）各向同性刻蚀（搅拌）；（bbbb）各向同性刻蚀（不搅拌））各向同性刻蚀（不搅拌））各向同性刻蚀（不搅拌））各向同性刻蚀（不搅拌）SiOSiOSiOSiO2222掩膜②各向异性刻蚀各向异性刻蚀各向异性刻蚀各向异性刻蚀（（（（cccc））））（（（（dddd））））图图图图5-25-25-25-2各向异性刻蚀各向异性刻蚀各向异性刻蚀各向异性刻蚀（（（（cccc）各向异性刻蚀（搅拌）；（）各向异性刻蚀（搅拌）；（）各向异性刻蚀（搅拌）；（）各向异性刻蚀（搅拌）；（dddd）各向异性刻蚀（不搅拌））各向异性刻蚀（不搅拌））各向异性刻蚀（不搅拌））各向异性刻蚀（不搅拌）（（（（2222）干法刻蚀）干法刻蚀）干法刻蚀）干法刻蚀①干法刻蚀种类干法刻蚀种类干法刻蚀种类干法刻蚀种类�等离子刻蚀等离子刻蚀等离子刻蚀等离子刻蚀�反应离子刻蚀反应离子刻蚀反应离子刻蚀反应离子刻蚀�离子束刻蚀与反应离子束刻蚀离子束刻蚀与反应离子束刻蚀离子束刻蚀与反应离子束刻蚀离子束刻蚀与反应离子束刻蚀�增强反应离子刻蚀增强反应离子刻蚀增强反应离子刻蚀增强反应离子刻蚀②干法刻蚀工艺的理想特征干法刻蚀工艺的理想特征干法刻蚀工艺的理想特征干法刻蚀工艺的理想特征�离子平行入射，以产生各向异性离子平行入射，以产生各向异性离子平行入射，以产生各向异性离子平行入射，以产生各向异性。。。。�反应性的离子，以提高选择性反应性的离子，以提高选择性反应性的离子，以提高选择性反应性的离子，以提高选择性。。。。�高密度的离子，以提高刻蚀速率高密度的离子，以提高刻蚀速率高密度的离子，以提高刻蚀速率高密度的离子，以提高刻蚀速率。。。。�低的入射能量，以减轻硅片的损伤低的入射能量，以减轻硅片的损伤低的入射能量，以减轻硅片的损伤低的入射能量，以减轻硅片的损伤。。。。（（（（3333）体微加工举例）体微加工举例）体微加工举例）体微加工举例①凹槽加工凹槽加工凹槽加工凹槽加工图图图图5-35-35-35-3（（（（100100100100）硅片各向异性腐蚀的凹槽）硅片各向异性腐蚀的凹槽）硅片各向异性腐蚀的凹槽）硅片各向异性腐蚀的凹槽顶视图俯视图腐蚀掩膜②悬臂梁加工悬臂梁加工悬臂梁加工悬臂梁加工图图图图5-45-45-45-4腐蚀凸起的拐角产生悬臂梁腐蚀凸起的拐角产生悬臂梁腐蚀凸起的拐角产生悬臂梁腐蚀凸起的拐角产生悬臂梁③桥梁加工桥梁加工桥梁加工桥梁加工图图图图5-55-55-55-5两端固定支撑梁的加工两端固定支撑梁的加工两端固定支撑梁的加工两端固定支撑梁的加工④复杂结构加工复杂结构加工复杂结构加工复杂结构加工图图图图5-65-65-65-6采用采用采用采用CMOSCMOSCMOSCMOS工艺制作的硅复杂微结构工艺制作的硅复杂微结构工艺制作的硅复杂微结构工艺制作的硅复杂微结构2.2.2.2.硅的面微加工硅的面微加工硅的面微加工硅的面微加工硅的面微加工硅的面微加工硅的面微加工硅的面微加工是通过薄膜沉积和蚀刻工艺，在晶是通过薄膜沉积和蚀刻工艺，在晶是通过薄膜沉积和蚀刻工艺，在晶是通过薄膜沉积和蚀刻工艺，在晶片表面上形成较薄微结构的加工技术。表面微加片表面上形成较薄微结构的加工技术。表面微加片表面上形成较薄微结构的加工技术。表面微加片表面上形成较薄微结构的加工技术。表面微加工使用的薄膜沉积技术主要有物理气相沉积工使用的薄膜沉积技术主要有物理气相沉积工使用的薄膜沉积技术主要有物理气相沉积工使用的薄膜沉积技术主要有物理气相沉积（（（（PVDPVDPVDPVD）和化学气相沉积（）和化学气相沉积（）和化学气相沉积（）和化学气相沉积（CVDCVDCVDCVD）等方法。典型）等方法。典型）等方法。典型）等方法。典型的表面微加工方法是牺牲层技术。的表面微加工方法是牺牲层技术。的表面微加工方法是牺牲层技术。的表面微加工方法是牺牲层技术。5.25.25.25.2硅微细加工技术硅微细加工技术硅微细加工技术硅微细加工技术图图图图5-75-75-75-7用牺牲层技术制作微结构的基本过程用牺牲层技术制作微结构的基本过程用牺牲层技术制作微结构的基本过程用牺牲层技术制作微结构的基本过程基础材料牺牲层牺牲层结构层微结构（（（（1111）表面微加工对所采用的材料的要求）表面微加工对所采用的材料的要求）表面微加工