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1、第第5章章 微细加工微细加工n微机械与微细加工概述微机械与微细加工概述 n硅微细加工技术硅微细加工技术n光光 刻刻 n微细电火花加工微细电火花加工 n微细切削加工技术微细切削加工技术n薄膜气相堆积技术薄膜气相堆积技术 n纳米加工技术纳米加工技术 5.1 微机械与微细加工概述微机械与微细加工概述1.微机械微机械1微机械的根本特征微机械的根本特征 体积小、分量轻、构造巩固、精度高。体积小、分量轻、构造巩固、精度高。 能耗小、呼应快、灵敏度高。能耗小、呼应快、灵敏度高。性能稳定、可靠、一致性好。性能稳定、可靠、一致性好。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
2、环境 适于大批量消费，制造本钱低廉适于大批量消费，制造本钱低廉 。2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 微薄膜、微轴、微孔、微梁、微探针、微微薄膜、微轴、微孔、微梁、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微弹簧连杆、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、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 微执行器微执行器 微电机、微阀、微泵、微开关、微扬声微电机、微阀、微泵、微开关、微扬声器、微谐振器器、微谐振器 公
3、用微机械器件及系统公用微机械器件及系统 人造器官、体内施药及取人造器官、体内施药及取样微型泵、微型手术机器人样微型泵、微型手术机器人 2.微细加工技术微细加工技术1微细加工技术构成微细加工技术构成 由由IC工艺技术开展起来的硅微细加工技术工艺技术开展起来的硅微细加工技术 在特种加工和常规切削加工根底上开展构成的微细在特种加工和常规切削加工根底上开展构成的微细制造技术制造技术 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LIGA、LIGA-LIKE 等等5.1 微机械与微细加工概述微机械与微细加工概述2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
4、，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别，必需思索晶粒在加工中加工机理存在很大的差别，必需思索晶粒在加工中的作用的作用 加工特征明显不同加工特征明显不同 ，以分别或结合原子、分子为特，以分别或结合原子、分子为特征征 当构件减少到一定尺寸范围时将出现尺度效应当构件减少到一定尺寸范围时将出现尺度效应 5.2 硅微细加工技术硅微细加工技术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bulk micromachining技术是指技术是指利用刻蚀利用刻蚀Etching等工艺对块状硅进展准三维等工艺对块状硅进展准三维构造的微加工，即去除部分基体或衬底资料，以构
5、造的微加工，即去除部分基体或衬底资料，以构成所需求的硅微构造。主要包括刻蚀和停顿刻构成所需求的硅微构造。主要包括刻蚀和停顿刻蚀两项关键技术。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 。1湿法刻蚀湿法刻蚀 湿湿法法刻刻蚀蚀是是经经过过化化学学刻刻蚀蚀液液和和被被刻刻蚀蚀物物质质之之间间的的化化学反响将被刻蚀物质剥离下来的刻蚀方法。学反响将被刻蚀物质剥离下来的刻蚀方法。湿湿法法刻刻蚀蚀因因基基底底资资料料不不同同可可以以分分为为各各向向同同性性刻刻蚀蚀和和各向异性刻蚀。各向异性刻蚀。各向同性刻各向同性刻蚀 a b 图5-1 各向同性刻各向同性刻蚀 a各向同性
6、刻各向同性刻蚀搅拌；拌；b各向同性刻各向同性刻蚀不不搅拌拌 SiO2掩掩膜膜各向异性刻各向异性刻蚀 c d图5-2 各向异性刻各向异性刻蚀 c各向异性刻各向异性刻蚀搅拌；拌；d各向异性刻各向异性刻蚀不不搅拌拌 2干法刻干法刻蚀干法刻干法刻蚀种种类 等离子刻等离子刻蚀 反响离子刻反响离子刻蚀 离子束刻离子束刻蚀与反响离子束刻与反响离子束刻蚀 加加强反响离子刻反响离子刻蚀 干法刻干法刻蚀工工艺的理想特征的理想特征 离子平行入射，以离子平行入射，以产生各向异性生各向异性 。反响性的离子，以提高反响性的离子，以提高选择性性 。高密度的离子，以提高刻高密度的离子，以提高刻蚀速率速率 。低的入射能量，以减
7、低的入射能量，以减轻硅片的硅片的损伤 。3体微加工体微加工举例例 凹槽加工凹槽加工 图5-3 100硅片各向异性腐硅片各向异性腐蚀的凹槽的凹槽顶视图俯视图腐蚀掩膜悬臂梁加工臂梁加工图5-4 腐腐蚀凸起的拐角凸起的拐角产生生悬臂梁臂梁桥梁加工梁加工图5-5 两端固定支撑梁的加工两端固定支撑梁的加工复复杂构造加工构造加工 图5-6 采用采用CMOS工工艺制造的硅复制造的硅复杂微构造微构造2.硅的面微加工硅的面微加工 硅的面微加工是经过薄膜堆积和蚀刻工艺，在晶硅的面微加工是经过薄膜堆积和蚀刻工艺，在晶片外表上构成较薄微构造的加工技术。外表微加片外表上构成较薄微构造的加工技术。外表微加工运用的薄膜堆积
8、技术主要有物理气相堆积工运用的薄膜堆积技术主要有物理气相堆积PVD和化学气相堆积和化学气相堆积CVD等方法。典型的等方法。典型的外表微加工方法是牺牲层技术。外表微加工方法是牺牲层技术。5.2 硅微细加工技术硅微细加工技术图图5-7 用牺牲层技术制造微构造的根本过程用牺牲层技术制造微构造的根本过程根底资料牺牲层牺牲层构造层微构造1外表微加工对所采用的资料的要求外表微加工对所采用的资料的要求 ：构造层必需可以保证所要求的运用性能构造层必需可以保证所要求的运用性能 牺牲层必需具有足够的力学性能以保证在制造过程牺牲层必需具有足够的力学性能以保证在制造过程中不会引起分层或裂纹等构造破坏中不会引起分层或裂
9、纹等构造破坏 堆积工艺需求有很好的保形覆盖性质，腐蚀所选的堆积工艺需求有很好的保形覆盖性质，腐蚀所选的化学试剂，应能优先腐蚀牺牲层资料化学试剂，应能优先腐蚀牺牲层资料外表加工工艺还应留意与集成电路工艺的兼容性外表加工工艺还应留意与集成电路工艺的兼容性5.3 光光 刻刻光刻光刻photolithography也称照相平版印刷，是也称照相平版印刷，是加工制造半导体构造或器件和集成电路微图形构造加工制造半导体构造或器件和集成电路微图形构造的关键工艺技术。的关键工艺技术。详细的过程包括掩膜制造和光刻过程两个部分。详细的过程包括掩膜制造和光刻过程两个部分。 1.掩膜制造掩膜制造 图图5-8 掩膜制造过程
10、掩膜制造过程5.3 光光 刻刻5.3 光光 刻刻2.光刻过程光刻过程 预处理预处理脱脂、抛光、酸洗、脱脂、抛光、酸洗、水洗水洗 涂胶涂胶甩涂、浸渍、喷涂、甩涂、浸渍、喷涂、印刷印刷 曝光曝光电子束、电子束、X射线、远射线、远紫外线、离子束紫外线、离子束 氧化膜基片光致抗蚀剂电子束掩膜图图5-9 光刻加工过程光刻加工过程显影显影 烘片烘片 刻蚀刻蚀干式、湿式干式、湿式 剥膜、检查剥膜、检查 窗口离子束5.4 微细电火花加工微细电火花加工1.微细电火花加工的特点微细电火花加工的特点放电面积很小放电面积很小单个脉冲放电能量很小单个脉冲放电能量很小 放电间隙很小放电间隙很小 工具电极制备困难工具电极制
11、备困难 排屑困难排屑困难,不易获得稳定火花放电形状不易获得稳定火花放电形状 5.4 微细电火花加工微细电火花加工2.微细电火花加工关键技术微细电火花加工关键技术 实现微细电火花加工的关键技术有加工工艺和设备实现微细电火花加工的关键技术有加工工艺和设备两个方面，包括：两个方面，包括：微细电极的制造微细电极的制造高精度微进给驱动安装高精度微进给驱动安装微小能量脉冲电源技术微小能量脉冲电源技术加工形状检测与控制系统。加工形状检测与控制系统。1微微细电极的在极的在线制造与制造与检测 微微细电极的在极的在线制造制造 在在线制造方法主要有反拷制造方法主要有反拷块加工和加工和线电极极电火花磨火花磨削削WED
12、G两种方式两种方式a b图图5-10 微细电极的在线制造微细电极的在线制造a反拷块方式；反拷块方式；bWEDG方式。方式。微微细电极的在极的在线检测 目前目前对微微细电极的极的检测普通采用普通采用试切方式切方式进展，即展，即经过电极所加工孔的尺寸来极所加工孔的尺寸来间接推算微接推算微细电极的极的直径。直径。2脉冲电源脉冲电源 脉冲电源的作用是提供击穿间隙中加工介质所需的脉冲电源的作用是提供击穿间隙中加工介质所需的电压，并在击穿后提供能量以蚀除工件资料。脉电压，并在击穿后提供能量以蚀除工件资料。脉冲电源对电火花加工的消费率、外表质量、加工冲电源对电火花加工的消费率、外表质量、加工精度、加工过程的
13、稳定性和工具电极损耗等技术精度、加工过程的稳定性和工具电极损耗等技术经济目的有很大的影响。经济目的有很大的影响。目前，微小能量脉冲电源主要有两种方式：独立式目前，微小能量脉冲电源主要有两种方式：独立式晶体管脉冲电源和弛张式晶体管脉冲电源和弛张式RC脉冲电源。脉冲电源。独立式晶体管脉冲独立式晶体管脉冲电源源 多采用多采用MOSFET管做开关器件，具有开关速度高、管做开关器件，具有开关速度高、无温漂以及无无温漂以及无热击穿缺点的穿缺点的优点。点。弛弛张式式RC脉冲脉冲电源源 RC脉冲脉冲电源是利用源是利用电容器充容器充电储存存电能、而后瞬能、而后瞬时放出的原理任放出的原理任务的。日前，微的。日前，
14、微细电火花加工用的火花加工用的脉冲脉冲电源多源多为弛弛张式式RC电源。源。图图5-11 可控可控RC微细电火花加工电源微细电火花加工电源T2T1CR实现过程程为：当当T1导通、通、T2截止截止时，直流，直流电源源经过限流限流电阻阻R、开关管开关管T1向向电容容C充充电，此，此时放放电通道没有通道没有电流，流，处于消于消电离形状；离形状；电容容C充充电至至设定定值，T1截止，切断充截止，切断充电回路，回路，T2导通，通，电容容C经过T2击穿工件和穿工件和电极的极的间隙，隙，产生放生放电；电容容C放放电至至设定定值，T2截止，截止，T1导通，反复通，反复，构成微，构成微细电火花的循火花的循环加工。
15、加工。3加工形状检测与控制系统加工形状检测与控制系统 基于模糊控制逻辑实际、神经网络乃至模糊神经网基于模糊控制逻辑实际、神经网络乃至模糊神经网络等方法的加工形状识别技术，为微细电火花加络等方法的加工形状识别技术，为微细电火花加工形状的检测提供了可行途径。工形状的检测提供了可行途径。选择伺服进给速度、脉宽与脉间宽度作为微细电火选择伺服进给速度、脉宽与脉间宽度作为微细电火花加工系统的控制参数，其它对加工工性能有所花加工系统的控制参数，其它对加工工性能有所影响的参数可采用离线优化。影响的参数可采用离线优化。4高精度微进给驱动安装高精度微进给驱动安装 微进给机构是实现微细电火花加工的前提和微进给机构是
16、实现微细电火花加工的前提和保证。近年来一些新型微进给机构的出现，很好保证。近年来一些新型微进给机构的出现，很好地处理了微细电火花加上中微小步距进给的难题。地处理了微细电火花加上中微小步距进给的难题。蠕动式压电陶瓷微进给机构蠕动式压电陶瓷微进给机构 冲击式微进给机构冲击式微进给机构 椭圆式微进给机构椭圆式微进给机构 线性超声马达微进给机构线性超声马达微进给机构 蠕蠕动式式压电陶瓷微陶瓷微进给机构机构 图5-12 蠕蠕动式式压电微微进给原理原理冲冲击式微式微进给机构机构 图5-13 冲冲击式微式微进给机构机构动作原理作原理椭圆式微式微进给机构机构图5-14 椭圆式微式微进给机构机构 线性超声性超声
17、马达微达微进给机构机构图5-15 线性超声性超声马达微达微进给机构机构 5任务液任务液 任务液在加工中起到多种作用：紧缩放电通道，使任务液在加工中起到多种作用：紧缩放电通道，使放电能量集中，加强蚀除效果；有利于电蚀产物放电能量集中，加强蚀除效果；有利于电蚀产物排除；放电后极间消电离，防止破坏性电弧出现；排除；放电后极间消电离，防止破坏性电弧出现；加速间隙中物质的降温。加速间隙中物质的降温。任务液的种类、成分、特性对加工过程和工艺结果任务液的种类、成分、特性对加工过程和工艺结果有显著影响。在常规电火花加工中，主要采用油有显著影响。在常规电火花加工中，主要采用油基任务液，例如，电火花加工公用液、煤
18、油等。基任务液，例如，电火花加工公用液、煤油等。5.4 微细电火花加工微细电火花加工3.基于基于LIGA技术的微细电火花加工技术的微细电火花加工 利用利用LIGA技术为微细电火花加工提供电极制备手段，技术为微细电火花加工提供电极制备手段，然后再进展微细放电加工，是近年的一个主要研然后再进展微细放电加工，是近年的一个主要研讨方向。讨方向。LIGA技术可以制造出具有高深宽比的金属微构造件，技术可以制造出具有高深宽比的金属微构造件，但是资料局限于镍和铜。将但是资料局限于镍和铜。将LIGA制造出的铜微构制造出的铜微构造件作为微细电火花加工的电极，发扬电火花加造件作为微细电火花加工的电极，发扬电火花加工
19、可以加工恣意导电资料的优点，就能制造出资工可以加工恣意导电资料的优点，就能制造出资料综合性能更好的微构造或器件。同时，假设电料综合性能更好的微构造或器件。同时，假设电极损耗得到很好的控制，将可以加工出更高深宽极损耗得到很好的控制，将可以加工出更高深宽比的微构造件。比的微构造件。4.微微细电细电火花火花线线切割加工切割加工 微微细电细电火花火花线线切割加工是指加工切割加工是指加工过过程中采用程中采用钨钨合合金或其他金或其他资资料的微料的微细电细电极极丝丝 直径直径为为10 50 进进展切割，主要用于加工展切割，主要用于加工轮轮廓尺寸在廓尺寸在0.1 mm1 mm的工件。由于属于非接触式加工，加的
20、工件。由于属于非接触式加工，加工工过过程中不存在切削力，因此可以保程中不存在切削力，因此可以保证证加工加工过过程程的一致性。的一致性。5.4 微细电火花加工微细电火花加工5.5 微细切削加工技术微细切削加工技术1.微切削加工机理微切削加工机理 在微细切削时，由于工件尺寸很小，从强度和刚度在微细切削时，由于工件尺寸很小，从强度和刚度上不允许有大的吃刀量，同时为保证工件尺寸精上不允许有大的吃刀量，同时为保证工件尺寸精度的要求，最终精加工的外表切除层厚度必需小度的要求，最终精加工的外表切除层厚度必需小于其精度值，因此切屑极小，吃刀量能够小于晶于其精度值，因此切屑极小，吃刀量能够小于晶粒的大小，切削就
21、在晶粒内进展，晶粒就被作为粒的大小，切削就在晶粒内进展，晶粒就被作为一个一个的不延续体来进展切削，这时切削不是一个一个的不延续体来进展切削，这时切削不是晶粒之间的破坏，切削力一定要超越晶体内部非晶粒之间的破坏，切削力一定要超越晶体内部非常大的原子、分子结合力，刀刃上所接受的切应常大的原子、分子结合力，刀刃上所接受的切应力就急速地添加并变得非常大。力就急速地添加并变得非常大。1切屑和外表构成切屑和外表构成 图图5-16 剪切区位错挪动剪切区位错挪动 从晶格位错的产生和消逝情况看，切屑像是从晶格位错的产生和消逝情况看，切屑像是被刀具平稳地移走了一样，而错位晶格那么渗入被刀具平稳地移走了一样，而错位
22、晶格那么渗入切削刃底部的工件外表内。在切削刃走过后，一切削刃底部的工件外表内。在切削刃走过后，一切渗入工件外表内的位错晶格开场向后挪动并且切渗入工件外表内的位错晶格开场向后挪动并且最终在工件外表消逝。最终在工件外表消逝。 2切削力切削力 切削力的幅值虽然不大，但其单位切削力却极大。切削力的幅值虽然不大，但其单位切削力却极大。微细切削时，随着切削深度的添加切削力却在减微细切削时，随着切削深度的添加切削力却在减小。而且在很小切深时切削力将急速上升。小。而且在很小切深时切削力将急速上升。3切削温度切削温度 由于加工尺度和刀具尺度的微小化，使得刀具上很由于加工尺度和刀具尺度的微小化，使得刀具上很小的温
23、升就会导致刀杆的膨胀并引发加工精度的小的温升就会导致刀杆的膨胀并引发加工精度的下降，切削温度通常被以为是决议刀具磨损率的下降，切削温度通常被以为是决议刀具磨损率的主要要素。对于外表的构成来说，即使是刀具的主要要素。对于外表的构成来说，即使是刀具的微米级的损伤也是致命的。微米级的损伤也是致命的。2.微微细车细车削削 1 微微细车细车削工削工艺艺刀具刀具 微微细车细车削普通采用金削普通采用金刚刚石刀具。石刀具。图图5-17 不重磨金不重磨金刚刚石刀具外形石刀具外形5.5 微细切削加工技术微细切削加工技术切削速度切削速度 实践践选择的切削速度，常根据所用机床的的切削速度，常根据所用机床的动态特性特性
24、和工和工艺系系统的的动态特性特性选取，即取，即选择振振动最小的最小的转速。由于在速。由于在该转速速时外表粗糙度外表粗糙度值最小，加工最小，加工质量最高。运用量最高。运用动特性好、振特性好、振动小的精切小的精切设备可可以运用高的切削速度，提高加工效率。以运用高的切削速度，提高加工效率。进给量和修光刃量和修光刃为使加工外表粗糙度降低，微使加工外表粗糙度降低，微细车削削时都采用很小都采用很小的的进给量，并且刀具量，并且刀具带修光刃。修光刃可以减小修光刃。修光刃可以减小加工的超光滑外表粗糙度加工的超光滑外表粗糙度值。但是，修光刃。但是，修光刃长度度过长对减小加工外表粗糙度减小加工外表粗糙度值的效果不大
25、。的效果不大。实验阐明，在微明，在微细车削削时修光刃的修光刃的长度普通取度普通取0.050.10mm较为适宜适宜 。刀刃刀刃锋锐度度 刀刃刀刃锋锐度度对加工外表加工外表质量有很大影响，刀刃量有很大影响，刀刃锋锐度可用刀具刃口半径度可用刀具刃口半径来表征。来表征。是微是微细和超微和超微细切削加工中的一个关切削加工中的一个关键技技术参数。参数。值普通采用普通采用扫描描电镜在放大在放大20 00030 000倍倍时丈量。丈量。0.1 时，可采用，可采用扫描探描探针显微微镜测试。积屑瘤与任屑瘤与任务液液 积屑瘤的屑瘤的产生生对加工外表粗糙度影响极大。要减小加工外表粗糙度影响极大。要减小外表粗糙度外表粗
26、糙度值，应消除或减小消除或减小积屑瘤，运用合理屑瘤，运用合理的任的任务液可到达此目的。液可到达此目的。2微微细切削切削车床床 日本通日本通产省工省工业技技术院机械工程院机械工程实验室室MEL于于2019年开年开发了世界上第一台微型化的机床了世界上第一台微型化的机床微微型型车床床图5-18 微型微型车床床 以下图所示的一种微细车床系统日本金以下图所示的一种微细车床系统日本金沢沢大学大学研制，由微细车床、控制单元、光学显微安装研制，由微细车床、控制单元、光学显微安装和监视器组成。和监视器组成。图图5-19 一种微细车床系统一种微细车床系统3.微细铣削微细铣削1微细铣削刀具微细铣削刀具 微微细细铣铣
27、刀刀的的制制造造技技术术是是微微细细铣铣削削的的难难点点之之一一。采采用用离离子子束束加加工工技技术术制制造造微微细细铣铣刀刀是是一一种种可可行行的的方法。方法。图图5-20 离子束加工出的离子束加工出的2刃、刃、4刃、刃、6刃微细端铣刀刃微细端铣刀5.5 微细切削加工技术微细切削加工技术2微细铣床微细铣床 FANUC公司和有关大学协作研制的车床型超公司和有关大学协作研制的车床型超精细铣床图精细铣床图5-21，在世界上首例用切削方法，在世界上首例用切削方法实现了自在曲面微细加工。实现了自在曲面微细加工。图图5-21 车床型微细铣床车床型微细铣床5.6 薄膜气相堆积技术薄膜气相堆积技术薄膜制备方
28、法很多，归纳起来有如下几种：薄膜制备方法很多，归纳起来有如下几种：气相方法制膜，包括物理气相堆积和化学气相堆积；气相方法制膜，包括物理气相堆积和化学气相堆积；液相方法制膜，包括化学镀、电镀、浸喷涂等；液相方法制膜，包括化学镀、电镀、浸喷涂等；其他方法制膜，包括喷涂、涂敷、压延、印刷、其他方法制膜，包括喷涂、涂敷、压延、印刷、挤出等。挤出等。以下主要引见气相方法中的物理气相堆积和化学气以下主要引见气相方法中的物理气相堆积和化学气相堆积两种薄膜制备技术。相堆积两种薄膜制备技术。1.物理气相堆积物理气相堆积 物理气相堆积物理气相堆积Physical Vapor Deposition，PVD指的是利用
29、某种物理过程，如物质的热蒸指的是利用某种物理过程，如物质的热蒸发或在遭到粒子束轰击时物质外表原子的溅射等发或在遭到粒子束轰击时物质外表原子的溅射等景象，实现物质从源物质到薄膜的原子可控的转景象，实现物质从源物质到薄膜的原子可控的转移过程。主要工艺方法有：蒸发法、溅射法、离移过程。主要工艺方法有：蒸发法、溅射法、离子镀、反响蒸发堆积、离子束辅助堆积和离化原子镀、反响蒸发堆积、离子束辅助堆积和离化原子团束堆积等，其中最为根本的两种方法是蒸发子团束堆积等，其中最为根本的两种方法是蒸发法和溅射法。法和溅射法。 5.6 薄膜气相堆积技术薄膜气相堆积技术1蒸发法蒸发法蒸发镀膜过程可以分三个阶段：蒸发镀膜过
30、程可以分三个阶段：从蒸发源通常指蒸发镀膜中对膜材加热的安装从蒸发源通常指蒸发镀膜中对膜材加热的安装开场的热蒸发开场的热蒸发 蒸发料原子或分子从蒸发源向基片转移蒸发料原子或分子从蒸发源向基片转移 蒸发料原子或分子淀积在基片上蒸发料原子或分子淀积在基片上 图图5-22 真空蒸发法真空蒸发法2溅射法溅射法 溅溅射射法法是是利利用用带带有有电电荷荷的的离离子子在在电电场场中中加加速速后后具具有有一一定定动动能能的的特特点点，将将离离子子引引向向欲欲被被溅溅射射的的靶靶电电极极。在在离离子子能能量量适适宜宜的的情情况况下下，入入射射的的离离子子将将在在与与靶靶外外表表的的原原子子的的碰碰撞撞过过程程中中
31、使使后后者者溅溅射射出出来来。这这些些被被溅溅射射出出来来的的原原子子将将带带有有一一定定的的动动能能，并并且且会会沿沿着着一一定定的的方方向向射射向向衬衬底底，从从而而实实如如今今衬衬底底上上薄薄膜膜的堆积。的堆积。图图5-23 直流溅射堆积安装的表示图直流溅射堆积安装的表示图蒸发法蒸发法 溅射法溅射法 沉积气相的产生过程沉积气相的产生过程 1原子的热蒸发装置；原子的热蒸发装置；2低的原子动能（温度低的原子动能（温度1 200K时约为时约为0.1eV）；）；3较高的蒸发速率；较高的蒸发速率；4蒸发原子运动具方向性；蒸发原子运动具方向性；1离子轰击和碰撞动量转移离子轰击和碰撞动量转移机制；机制
32、；2较高的溅射原子能量较高的溅射原子能量(230eV)3稍低的溅射速率；稍低的溅射速率；4溅射原子运动具方向性；溅射原子运动具方向性；表表5-1 溅射法与蒸发法的原理及特性比较溅射法与蒸发法的原理及特性比较5发生元素贫化或富集，发生元素贫化或富集，部分化合物有分解倾向；部分化合物有分解倾向；6蒸发纯度较高。蒸发纯度较高。 5可保证合金成分，但有可保证合金成分，但有的化合物有分解倾向；的化合物有分解倾向；6靶材纯度随材料种类而靶材纯度随材料种类而变化。变化。 气相过程气相过程 1高真空环境；高真空环境；2蒸发原子不经碰撞直接蒸发原子不经碰撞直接在衬底上沉积。在衬底上沉积。 1工作压力稍高；工作压
33、力稍高；2原子沉积前要经过多次原子沉积前要经过多次碰撞。碰撞。 3离子离子镀 离子离子镀ion plating运用蒸运用蒸发方法提供堆方法提供堆积用的用的物物质源，同源，同时在堆在堆积前和堆前和堆积中采用高能量的离中采用高能量的离子束子束对薄膜薄膜进展展溅射射处置。由于在置。由于在这技技术中同中同时采用了蒸采用了蒸发和和溅射两种手段，因此在安装的射两种手段，因此在安装的设计上需求将提供上需求将提供溅射功能的等离子体部分与射功能的等离子体部分与产生生物物质蒸蒸发的的热蒸蒸发部分分隔开来。部分分隔开来。图图5-24 离子镀安装的表示图离子镀安装的表示图挪动挡板压力坚持板真空室真空泵电子束蒸发任务气
34、体阴极暗区衬底任务台接地屏蔽-V5.6 薄膜气相堆积技术薄膜气相堆积技术2.化学气相堆积化学气相堆积 化学气相堆积化学气相堆积Chemical Vapor Deposition，CVD是指在一定温度条件下，在容器中通以气是指在一定温度条件下，在容器中通以气相形状的、用以构成薄膜资料的化学物质，使其相形状的、用以构成薄膜资料的化学物质，使其与加热了的基体外表进展高温化学反响，使气体与加热了的基体外表进展高温化学反响，使气体中某些成分分解，并在基体外表堆积金属或化合中某些成分分解，并在基体外表堆积金属或化合物膜层的过程。物膜层的过程。 1化学气相堆化学气相堆积法制法制备薄膜的薄膜的过程程反响气体向
35、基片外表分散。反响气体向基片外表分散。反响气体吸附于基片外表。反响气体吸附于基片外表。在基片外表上在基片外表上发生化学反响。生化学反响。在基片外表上在基片外表上产生的气相副生的气相副产物脱离外表而分散掉物脱离外表而分散掉或被真空或被真空泵抽走，从而在基片外表留下不抽走，从而在基片外表留下不挥发的的固体反响固体反响产物物薄膜。薄膜。2化学气相堆积方法化学气相堆积方法常压化学气相堆积常压化学气相堆积NPCVD 等离子加强型化学气相堆积等离子加强型化学气相堆积PECVD 金属有机物化学气相堆积金属有机物化学气相堆积MOCVD等等 图图5-25 常压化学气相堆积安装原理表示图常压化学气相堆积安装原理表
36、示图钟罩多孔玻璃基片O2 N3 SiH4 PH3流量计衬底加热图图5-26 PECVD安装的原理表示图安装的原理表示图放电电极气流方向基片加热器基片托架3.薄膜在机械工程中的运用薄膜在机械工程中的运用机械涂层主要运用有以下四方面：机械涂层主要运用有以下四方面：耐磨涂层，目的是减少零件的机械磨损。耐磨涂层，目的是减少零件的机械磨损。 耐热涂层，其作用一是要降低部件的外表氧化倾向，耐热涂层，其作用一是要降低部件的外表氧化倾向，二是要降低或部分隔绝部件所要接受的热负荷，二是要降低或部分隔绝部件所要接受的热负荷，从而延伸部件的高温运用寿命。从而延伸部件的高温运用寿命。防腐涂层，用于维护受化学腐蚀性气体
37、或液体侵蚀防腐涂层，用于维护受化学腐蚀性气体或液体侵蚀的工件的工件 。装饰涂层，起到装饰美观的效果装饰涂层，起到装饰美观的效果 。5.6 薄膜气相堆积技术薄膜气相堆积技术5.7 纳米加工技术纳米加工技术1.纳纳米技米技术术微粒到达微粒到达纳纳米量米量级级 0.1100 nm 时时，会具有如下，会具有如下特性：特性：量量子子尺尺寸寸效效应应光光、电电、磁磁、热热、声声及及超超导导电电性性与宏与宏观观特性特性显显著不同著不同 小尺寸效小尺寸效应应光吸收光吸收显显著添加著添加 外外表表和和界界面面效效应应外外表表原原子子处处于于严严重重的的缺缺位位形形状状很容易与其他原子很容易与其他原子结结合合 宏
38、宏观观量量子子隧隧道道效效应应微微观观粒粒子子具具有有贯贯穿穿势势垒垒的的才才干，称干，称为为隧道效隧道效应应 5.7 纳米加工技术纳米加工技术2.纳纳米加工机理与关米加工机理与关键键技技术术纳纳米米级级加工的物理本加工的物理本质质就是要切断原子就是要切断原子间间的的结结合，合，实现实现原子或分子的去除。原子或分子的去除。纳纳米加工的关米加工的关键键技技术术如下如下 ：检测检测技技术术光干涉丈量、光干涉丈量、扫扫描描显显微丈量微丈量环环境条件控制境条件控制恒温、恒湿、防振、超恒温、恒湿、防振、超净净 机床及工具机床及工具高精度高精度 、高、高刚刚度度 、高、高稳稳定性定性3.纳米级加工精度纳米
39、级加工精度纳米级加工精度的表征：纳米级加工精度的表征：纳米级尺寸精度纳米级尺寸精度 纳米级几何外形精度纳米级几何外形精度 纳米级外表质量纳米级外表质量 5.7 纳米加工技术纳米加工技术4.基于扫描探针显微镜的纳米加工基于扫描探针显微镜的纳米加工1扫描隧道显微镜的任务原理扫描隧道显微镜的任务原理图图5-26 扫描隧道显微镜的任务原理扫描隧道显微镜的任务原理探测器激光磁探针及悬臂样品压电 扫描仪计算机及反锁控制器显示器5.7 纳米加工技术纳米加工技术2原子力显微镜任务原理原子力显微镜任务原理图图5-27 原子力显微镜原理原子力显微镜原理3扫描探针显微关键技术和特点扫描探针显微关键技术和特点扫描探针
40、显微镜可以在各种条件比如真空、常温、扫描探针显微镜可以在各种条件比如真空、常温、低温、高温、熔温下和在纳米尺度上对外表进低温、高温、熔温下和在纳米尺度上对外表进展加工展加工 STM是目前能提供具有纳米尺度的低能电子束的独是目前能提供具有纳米尺度的低能电子束的独一手段一手段 扫描探针显微需求处理的关键技术：扫描探针显微需求处理的关键技术：振动的影响振动的影响 噪声的影响噪声的影响 针尖的要求针尖的要求 样品的要求样品的要求 4扫描探描探针显微技微技术用于用于纳米加工米加工利用利用SPM挪挪动原子原子 当当SPM的探的探针针尖尖对准准试件外表的某个原子件外表的某个原子并非常接近并非常接近时，试件上
41、的件上的该原子将遭到两个方面原子将遭到两个方面的力：一是探的力：一是探针针尖原子尖原子对该原子原子间的作用力，的作用力，二是二是试件上其它原子件上其它原子对该原子原子间的的结合力。合力。 图5-28 初次原子操作：初次原子操作：35个个Xe原子原子组成的成的“IBM利用利用SPM的的纳米切削加工米切削加工 图5-29 SPM用于切削加工原理用于切削加工原理光学显微镜激光探针试样扫描器任务台金刚石刀具检测器利用利用SPM技技术的的电子束光刻子束光刻电子束光刻方法是当前超大子束光刻方法是当前超大规模集成模集成电路加工的最路加工的最常用手段。当常用手段。当AFM运用运用导电探探针时，控制探，控制探针与与试件件间的偏的偏压取消取消针尖与尖与试件件间间隔的反响安隔的反响安装，由于装，由于针尖端部极其尖端部极其锋利，就可以将利，就可以将针尖尖处的的电子束聚焦到极子束聚焦到极细。再采用常。再采用常规的光刻工的光刻工艺，使使试件外表光刻胶部分感光，将未感光的光刻胶件外表光刻胶部分感光，将未感光的光刻胶去除，再去除，再进展化学腐展化学腐蚀，可以得到极，可以得到极为精精细的光的光刻刻图形。形。
