先进制造技术第5章微细加工.ppt

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1、第第5章章 微细加工微细加工n微机械与微微机械与微细加工概述加工概述 n硅微硅微细加工技加工技术n光光 刻刻 n微微细电火花加工火花加工 n微微细切削加工技切削加工技术n薄膜气相沉薄膜气相沉积技技术 n纳米加工技米加工技术 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）微机械的基本特征）微机械的基本特征 n体体积小、重量小、重量轻、结构构坚固、精度高。固、精度高。n能耗小、响能耗小、响应快、灵敏度高。快、灵敏度高。n性能性能稳定、可靠、一致性好。定、可靠、一致性好。n多功能化和智能化，既能感知多功能化和智能化，既能感知环境又能控制境又能控制环境境 n适于大批量生适于大批

2、量生产，制造成本低廉，制造成本低廉。（2）微机械的主要）微机械的主要产品分品分类n微构件微构件（微薄膜、微（微薄膜、微轴、微孔、微梁、微探、微孔、微梁、微探针、微微连杆、微杆、微齿轮、微、微轴承、微承、微弹簧簧）n微微传感器（感器（压力力传感器、加速度感器、加速度计、位移、位移传感器、感器、流量流量计、温度、温度传感器、微触感器、微触觉传感器、微型生物感器、微型生物传感器、微型感器、微型图像像传感器、微陀螺感器、微陀螺仪）n微微执行器行器（微（微电机、微机、微阀、微、微泵、微开关、微、微开关、微扬声器、微声器、微谐振器振器）n专用微机械器件及系用微机械器件及系统（人造器官、体内施（人造器官、体

3、内施药及及取取样微型微型泵、微型手、微型手术机器人机器人）2.微微细加工技加工技术（1）微）微细加工技加工技术构成构成 n由由IC工工艺技技术发展起来的硅微展起来的硅微细加工技加工技术 n在特种加工和常在特种加工和常规切削加工基切削加工基础上上发展形成的微展形成的微细制造技制造技术 n由上述两种技由上述两种技术集成的新方法，如集成的新方法，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）微细加工与常加工与常规尺寸加工的区尺寸加工的区别n加工精度的表示方法不同，用加工精度的表示方法不同，用绝对精度表示精度表示 n加工机理存在很大的差异，必加工机理存在

4、很大的差异，必须考考虑晶粒在加工晶粒在加工中的作用中的作用 n加工特征明加工特征明显不同不同，以分离或，以分离或结合原子、分子合原子、分子为特征特征 n当构件当构件缩小到一定尺寸范小到一定尺寸范围时将出将出现尺度效尺度效应 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n硅的体微加工硅的体微加工（bulk micromachining）技）技术是是指利用刻指利用刻蚀（Etching）等工）等工艺对块状硅状硅进行准三行准三维结构的微加工，即去除部分基体或构的微加工，即去除部分基体或衬底材料，底材料，以形成所需要的硅微以形成所需要的硅微结构。主要包括刻构。主要包括刻蚀和停止和停止

5、刻刻蚀两两项关关键技技术。刻刻蚀法分法分为湿法刻湿法刻蚀和干法刻和干法刻蚀两两类。（1）湿法刻）湿法刻蚀 n湿法刻湿法刻蚀是通是通过化学刻化学刻蚀液和被刻液和被刻蚀物物质之之间的的化学反化学反应将被刻将被刻蚀物物质剥离下来的刻剥离下来的刻蚀方法。方法。n湿法刻湿法刻蚀因基底材料不同可以分因基底材料不同可以分为各向同性刻各向同性刻蚀和各向异性刻和各向异性刻蚀。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

6、（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 n等离子刻等离子刻蚀 n反反应离子刻离子刻蚀 n离子束刻离子束刻蚀与反与反应离子束刻离子束刻蚀 n增增强反反应离子刻离子刻蚀 干法刻干法刻蚀工工艺的理想特征的理想特征 n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。n反反应性的离子，以提高性的离子，以提高选择性性。n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。n低的入射能量，以减低的入射能量，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）

7、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结构加工构加工 图5-6 采用采用CMOS工工艺制作的硅复制作的硅复杂微微结构构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是通是通过薄膜沉薄膜沉积和和蚀刻工刻工艺，在晶，在晶片表面上形成片表面上形成较薄微薄微结构的加工技构的加工技术。表面微加。表面微加工使用的薄膜沉工使用的薄膜沉积技技术主要有物理气相沉主要有物理气相沉积（PVD）和化学气相沉）和化学气相沉积（CVD）等方法。典型）

8、等方法。典型的表面微加工方法是的表面微加工方法是牺牲牲层技技术。5.2 硅微细加工技术硅微细加工技术图5-7 用用牺牲牲层技技术制作微制作微结构的基本构的基本过程程基础材料牺牲层牺牲层结构层微结构（1）表面微加工）表面微加工对所采用的材料的要求所采用的材料的要求：n结构构层必必须能能够保保证所要求的使用性能所要求的使用性能 n牺牲牲层必必须具有足具有足够的力学性能以保的力学性能以保证在制作在制作过程中不会引起分程中不会引起分层或裂或裂纹等等结构破坏构破坏 n沉沉积工工艺需要有很好的保形覆盖性需要有很好的保形覆盖性质，腐，腐蚀所所选的化学的化学试剂，应能能优先腐先腐蚀牺牲牲层材料材料n表面加工工

9、表面加工工艺还应注意与集成注意与集成电路工路工艺的兼容性的兼容性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，是加工制作半加工制作半导体体结构或器件和集成构或器件和集成电路微路微图形形结构构的关的关键工工艺技技术。具体的具体的过程包括掩膜制作和光刻程包括掩膜制作和光刻过程两个部分。程两个部分。1.掩膜制作掩膜制作 图5-8 掩膜制作掩膜制作过程程5.3 光光 刻刻5.3 光光 刻刻2.光刻光刻过程程 预处理理脱脂、抛光、酸洗、脱脂、抛光、酸洗、水洗水洗 涂胶涂胶甩涂、浸甩涂、浸渍、喷涂、涂、印刷印刷 曝光曝光电子束、子束、X射射线、远紫外

10、紫外线、离子束、离子束 氧化膜基片光致抗蚀剂电子束掩膜图5-9 光刻加工光刻加工过程程显影影 烘片烘片 刻刻蚀干式、湿式干式、湿式 剥膜、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.微微细电火花加工的特点火花加工的特点n放放电面面积很小很小n单个脉冲放个脉冲放电能量很小能量很小 n放放电间隙很小隙很小 n工具工具电极制极制备困困难 n排屑困排屑困难,不易不易获得得稳定火花放定火花放电状状态 5.4 微细电火花加工微细电火花加工2.微微细电火花加工关火花加工关键技技术 实现微微细电火花加工的关火花加工的关键技技术有加工工有加工工艺和和设备两个方面，包括：两个方面，包括：n微微细

11、电极的制作极的制作n高精度微高精度微进给驱动装置装置n微小能量脉冲微小能量脉冲电源技源技术n加工状加工状态检测与控制系与控制系统。（1）微）微细电极的在极的在线制作与制作与检测 微微细电极的在极的在线制作制作 n在在线制作方法主要有反拷制作方法主要有反拷块加工和加工和线电极极电火花火花磨削（磨削（WEDG）两种方式）两种方式（a）（b）图5-10 微微细电极的在极的在线制作制作（a）反拷）反拷块方式；（方式；（b）WEDG方式。方式。微微细电极的在极的在线检测 n目前目前对微微细电极的极的检测一般采用一般采用试切方式切方式进行，行，即通即通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

12、算微细电极极的直径。的直径。（2）脉冲）脉冲电源源 n脉冲脉冲电源的作用是提供源的作用是提供击穿穿间隙中加工介隙中加工介质所需所需的的电压，并在，并在击穿后提供能量以穿后提供能量以蚀除工件材料。除工件材料。脉冲脉冲电源源对电火花加工的生火花加工的生产率、表面率、表面质量、加量、加工精度、加工工精度、加工过程的程的稳定性和工具定性和工具电极极损耗等技耗等技术经济指指标有很大的影响。有很大的影响。n目前，微小能量脉冲目前，微小能量脉冲电源主要有两种形式：独立源主要有两种形式：独立式晶体管脉冲式晶体管脉冲电源和弛源和弛张式式RC脉冲脉冲电源。源。独立式晶体管脉冲独立式晶体管脉冲电源源 n多采用多采用

13、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故障的穿故障的优点。点。弛弛张式式RC脉冲脉冲电源源 nRC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工作的。日前，微放出的原理工作的。日前，微细电火花加工用火花加工用的脉冲的脉冲电源多源多为弛弛张式式RC电源。源。图5-11 可控可控RC微微细电火花加工火花加工电源源T2T1CR实现过程程为：n当当T1导通、通、T2截止截止时，直流，直流电源通源通过限流限流电阻阻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

14、消电离状离状态；n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通通过T2击穿工件和穿工件和电极的极的间隙，隙，产生放生放电；n电容容C放放电至至设定定值，T2截止，截止，T1导通，重复通，重复，形成微，形成微细电火花的循火花的循环加工。加工。（3）加工状）加工状态检测与控制系与控制系统 n基于模糊控制基于模糊控制逻辑理理论、神、神经网网络乃至模糊神乃至模糊神经网网络等方法的加工状等方法的加工状态识别技技术，为微微细电火花火花加工状加工状态的的检测提供了可行途径。提供了可行途径。n选择伺服伺服进给速度、脉速度、脉宽与脉与脉间宽度作度作为微微细电火花

15、加工系火花加工系统的控制参数，其它的控制参数，其它对加工工性能有加工工性能有所影响的参数可采用离所影响的参数可采用离线优化。化。（4）高精度微）高精度微进给驱动装置装置 微微进给机构是机构是实现微微细电火花加工的前提和火花加工的前提和保保证。近年来一些新型微。近年来一些新型微进给机构的出机构的出现，很好，很好地解决了微地解决了微细电火花加上中微小步距火花加上中微小步距进给的的难题。n蠕蠕动式式压电陶瓷微陶瓷微进给机构机构 n冲冲击式微式微进给机构机构 n椭圆式微式微进给机构机构 n线性超声性超声马达微达微进给机构机构 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

16、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）工作液）工作液 n工作液在加工中起到多种作用：工作液在加工中起到多种作用：压缩放放电通道，通道，使放使放电能量集中，加能量集中，加强蚀除效果；有利于除效果；有利于电蚀产物排除；放物排除；放电后极后极间消消电离，防止破坏性离，防止破坏性电弧出弧出现；加速；加速间隙中物隙中物质的降温。的降温。n工作液的种工作液的种类、成分、特性、成分、特性对加工加工过程和工程和工

17、艺结果有果有显著影响。在常著影响。在常规电火花加工中，主要采用火花加工中，主要采用油基工作液，例如，油基工作液，例如，电火花加工火花加工专用液、煤油等。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技技术的微的微细电火花加工火花加工 n利用利用LIGA技技术为微微细电火花加工提供火花加工提供电极制极制备手手段，然后再段，然后再进行微行微细放放电加工，是近年的一个主加工，是近年的一个主要研究方向。要研究方向。nLIGA技技术可以制作出具有高深可以制作出具有高深宽比的金属微比的金属微结构构件，但是材料局限于件，但是材料局限于镍和和铜。将。将LIGA制造出的制造出的铜微微结构

18、件作构件作为微微细电火花加工的火花加工的电极，极，发挥电火火花加工可以加工任意花加工可以加工任意导电材料的材料的优点，就能制作点，就能制作出材料出材料综合性能更好的微合性能更好的微结构或器件。同构或器件。同时，如，如果果电极极损耗得到很好的控制，将可以加工出更高耗得到很好的控制，将可以加工出更高深深宽比的微比的微结构件。构件。4.微微细电火花火花线切割加工切割加工 微微细电火花火花线切割加工切割加工是指加工是指加工过程中采用程中采用钨合合金或其他材料的微金或其他材料的微细电极极丝（直径（直径为10 50）进行切割，主要用于加工行切割，主要用于加工轮廓尺寸在廓尺寸在0.1 mm1 mm的工件。由

19、于属于非接触式加工，加的工件。由于属于非接触式加工，加工工过程中不存在切削力，因此能程中不存在切削力，因此能够保保证加工加工过程程的一致性。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 n在微在微细切削切削时，由于工件尺寸很小，从，由于工件尺寸很小，从强度和度和刚度上不允度上不允许有大的吃刀量，同有大的吃刀量，同时为保保证工件尺寸工件尺寸精度的要求，最精度的要求，最终精加工的表面切除精加工的表面切除层厚度必厚度必须小于其精度小于其精度值，因此切屑极小，吃刀量可能小于，因此切屑极小，吃刀量可能小于晶粒的大小，切削就在晶粒内

20、晶粒的大小，切削就在晶粒内进行，晶粒就被作行，晶粒就被作为一个一个的不一个一个的不连续体来体来进行切削，行切削，这时切削不切削不是晶粒之是晶粒之间的破坏，切削力一定要超的破坏，切削力一定要超过晶体内部晶体内部非常大的原子、分子非常大的原子、分子结合力，刀刃上所承受的切合力，刀刃上所承受的切应力就急速地增加并力就急速地增加并变得非常大。得非常大。（1）切屑和表面形成）切屑和表面形成 图5-16 剪切区位剪切区位错移移动 从晶格位从晶格位错的的产生和消失情况看，切屑像是生和消失情况看，切屑像是被刀具平被刀具平稳地移走了一地移走了一样，而，而错位晶格位晶格则渗入切渗入切削刃底部的工件表面内。在切削刃

21、走削刃底部的工件表面内。在切削刃走过后，所有后，所有渗入工件表面内的位渗入工件表面内的位错晶格开始向后移晶格开始向后移动并且最并且最终在工件表面消失。在工件表面消失。（2）切削力）切削力 n切削力的幅切削力的幅值虽然不大，但其然不大，但其单位切削力却极大。位切削力却极大。微微细切削切削时，随着切削深度的增加切削力却在减，随着切削深度的增加切削力却在减小。而且在很小切深小。而且在很小切深时切削力将急速上升。切削力将急速上升。（3）切削温度）切削温度 n由于加工尺度和刀具尺度的微小化，使得刀具上由于加工尺度和刀具尺度的微小化，使得刀具上很小的温升就会很小的温升就会导致刀杆的膨致刀杆的膨胀并引并引发

22、加工精度加工精度的下降，切削温度通常被的下降，切削温度通常被认为是决定刀具磨是决定刀具磨损率率的主要因素。的主要因素。对于表面的形成来于表面的形成来说，即使是刀具，即使是刀具的微米的微米级的的损伤也是致命的。也是致命的。2.微微细车削削（1）微）微细车削工削工艺刀具刀具 微微细车削一般采用金削一般采用金刚石刀具。石刀具。图5-17 不重磨金不重磨金刚石刀具形状石刀具形状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 n实际选择的切削速度，常根据所用机床的的切削速度，常根据所用机床的动态特特性和工性和工艺系系统的的动态特性特性选取，即取，即选择振振动最小最小的的转速。因速。因为在在该转

23、速速时表面粗糙度表面粗糙度值最小，加最小，加工工质量最高。使用量最高。使用动特性好、振特性好、振动小的精切小的精切设备可以使用高的切削速度，提高加工效率。可以使用高的切削速度，提高加工效率。进给量和修光刃量和修光刃n为使加工表面粗糙度降低，微使加工表面粗糙度降低，微细车削削时都采用很都采用很小的小的进给量，并且刀具量，并且刀具带修光刃。修光刃可以减修光刃。修光刃可以减小加工的超光滑表面粗糙度小加工的超光滑表面粗糙度值。但是，修光刃。但是，修光刃长度度过长对减小加工表面粗糙度减小加工表面粗糙度值的效果不大。的效果不大。实验表明，在微表明，在微细车削削时修光刃的修光刃的长度一般取度一般取（）（）m

24、m较为适宜适宜。刀刃刀刃锋锐度度 n刀刃刀刃锋锐度度对加工表面加工表面质量有很大影响，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。值一般采用一般采用扫描描电镜在放大（在放大（20 00030 000）倍）倍时测量。量。0.1 时，可采用，可采用扫描探描探针显微微镜测试。积屑瘤与工作液屑瘤与工作液 n积屑瘤的屑瘤的产生生对加工表面粗糙度影响极大。要减加工表面粗糙度影响极大。要减小表面粗糙度小表面粗糙度值，应消除或减小消除或减小积屑瘤，使用合屑瘤，使用合理的工作液可达到此目的。理的工作

25、液可达到此目的。（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1996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 下下图所示的一种微所示的一种微细车床系床系统（日本金沢大学研（日本金沢大学研制），由微制），由微细车床、控制床、控制单元、光学元、光学显微装置和微装置和监视器器组成。成。图5-19 一种微一种微细车床系床系统3.微微细铣削削（1）微）微细铣削刀具削刀具 微微细铣刀的制作技刀的制作技术是微是微细铣削的削的难点之一。点之一。采用离子束加工技采用离子束加工技术制作微制作微细铣刀

26、是一种可行的刀是一种可行的方法。方法。图5-20 离子束加工出的离子束加工出的2刃、刃、4刃、刃、6刃微刃微细端端铣刀刀5.5 微细切削加工技术微细切削加工技术（2）微）微细铣床床 FANUC公司和有关大学合作研制的公司和有关大学合作研制的车床型超床型超精密精密铣床（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由曲面微了自由曲面微细加工。加工。图5-21 车床型微床型微细铣床床5.6 薄膜气相沉积技术薄膜气相沉积技术薄膜制薄膜制备方法很多，方法很多，归纳起来有如下几种：起来有如下几种：n气相方法制膜，包括物理气相沉气相方法制膜，包括物理气相沉积和化学气相沉和化学气

27、相沉积；液相方法制膜，包括化学；液相方法制膜，包括化学镀、电镀、浸、浸喷涂涂等；其他方法制膜，包括等；其他方法制膜，包括喷涂、涂敷、涂、涂敷、压延、印延、印刷、刷、挤出等。出等。以下主要介以下主要介绍气相方法中的物理气相沉气相方法中的物理气相沉积和化学气和化学气相沉相沉积两种薄膜制两种薄膜制备技技术。1.物理气相沉物理气相沉积 物理气相沉物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）指的是利用某种物理）指的是利用某种物理过程，如物程，如物质的的热蒸蒸发或在受到粒子束或在受到粒子束轰击时物物质表面原子的表面原子的溅射等射等现象，象，实现物物质从源物从源物质到薄膜的原子

28、可控的到薄膜的原子可控的转移移过程。主要工程。主要工艺方法有：蒸方法有：蒸发法、法、溅射法、离射法、离子子镀、反、反应蒸蒸发沉沉积、离子束、离子束辅助沉助沉积和离化原和离化原子子团束沉束沉积等，其中最等，其中最为基本的两种方法是蒸基本的两种方法是蒸发法和法和溅射法。射法。5.6 薄膜气相沉积技术薄膜气相沉积技术（1）蒸）蒸发法法蒸蒸发镀膜膜过程可以分三个程可以分三个阶段：段：n从蒸从蒸发源（通常指蒸源（通常指蒸发镀膜中膜中对膜材加膜材加热的装置）的装置）开始的开始的热蒸蒸发 n蒸蒸发料原子或分子从蒸料原子或分子从蒸发源向基片源向基片转移移 n蒸蒸发料原子或分子淀料原子或分子淀积在基片上在基片上

29、 图5-22 真空蒸真空蒸发法法（2）溅射法射法 n溅射法射法是利用是利用带有有电荷的离子在荷的离子在电场中加速后具中加速后具有一定有一定动能的特点，将离子引向欲被能的特点，将离子引向欲被溅射的靶射的靶电极。在离子能量合适的情况下，入射的离子将在极。在离子能量合适的情况下，入射的离子将在与靶表面的原子的碰撞与靶表面的原子的碰撞过程中使后者程中使后者溅射出来。射出来。这些被些被溅射出来的原子将射出来的原子将带有一定的有一定的动能，并且能，并且会沿着一定的方向射向会沿着一定的方向射向衬底，从而底，从而实现在在衬底上底上薄膜的沉薄膜的沉积。图5-23 直流直流溅射沉射沉积装置的示意装置的示意图蒸蒸发

30、法法 溅射法射法 沉沉积气相的气相的产生生过程程 1原子的原子的热蒸蒸发装置；装置；2低的原子低的原子动能（温度能（温度1 200K时约为0.1eV）；）；3较高的蒸高的蒸发速率；速率；4蒸蒸发原子运原子运动具方向性；具方向性；1离子离子轰击和碰撞和碰撞动量量转移移机制；机制；2较高的高的溅射原子能量射原子能量(230eV)3稍低的稍低的溅射速率；射速率；4溅射原子运射原子运动具方向性；具方向性；表表5-1 溅射法与蒸射法与蒸发法的原理及特性比法的原理及特性比较5发生元素生元素贫化或富集，化或富集，部分化合物有分解部分化合物有分解倾向；向；6蒸蒸发纯度度较高。高。5可保可保证合金成分，但有合金

31、成分，但有的化合物有分解的化合物有分解倾向；向；6靶材靶材纯度随材料种度随材料种类而而变化。化。气相气相过程程 1高真空高真空环境；境；2蒸蒸发原子不原子不经碰撞直接碰撞直接在在衬底上沉底上沉积。1工作工作压力稍高；力稍高；2原子沉原子沉积前要前要经过多次多次碰撞。碰撞。（3）离子）离子镀 n离子离子镀（ion plating）使用蒸）使用蒸发方法提供沉方法提供沉积用用的物的物质源，同源，同时在沉在沉积前和沉前和沉积中采用高能量的中采用高能量的离子束离子束对薄膜薄膜进行行溅射射处理。由于在理。由于在这技技术中中同同时采用了蒸采用了蒸发和和溅射两种手段，因而在装置的射两种手段，因而在装置的设计上

32、需要将提供上需要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物生物质蒸蒸发的的热蒸蒸发部分分隔开来。部分分隔开来。图5-24 离子离子镀装置的示意装置的示意图移动挡板压力保持板真空室真空泵电子束蒸发工作气体阴极暗区衬底工作台接地屏蔽-V5.6 薄膜气相沉积技术薄膜气相沉积技术2.化学气相沉化学气相沉积 n化学气相沉化学气相沉积（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，在容器中通以气相状相状态的、用以构成薄膜材料的化学物的、用以构成薄膜材料的化学物质，使其，使其与加与加热了的基体表面了的基体表面进行高温化

33、学反行高温化学反应，使气体，使气体中某些成分分解，并在基体表面沉中某些成分分解，并在基体表面沉积金属或化合金属或化合物膜物膜层的的过程。程。（1）化学气相沉）化学气相沉积法制法制备薄膜的薄膜的过程程n反反应气体向基片表面气体向基片表面扩散。散。n反反应气体吸附于基片表面。气体吸附于基片表面。n在基片表面上在基片表面上发生化学反生化学反应。n在基片表面上在基片表面上产生的气相副生的气相副产物脱离表面而物脱离表面而扩散散掉或被真空掉或被真空泵抽走，从而在基片表面留下不抽走，从而在基片表面留下不挥发的固体反的固体反应产物物薄膜。薄膜。（2）化学气相沉）化学气相沉积方法方法n常常压化学气相沉化学气相沉

34、积（NPCVD）n等离子增等离子增强型化学气相沉型化学气相沉积（PECVD）n金属有机物化学气相沉金属有机物化学气相沉积（MOCVD）等）等 图5-25 常常压化学气相沉化学气相沉积装置原理示意装置原理示意图钟罩多孔玻璃基片O2 N3 SiH4 PH3流量计衬底加热图5-26 PECVD装置的原理示意装置的原理示意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薄膜在机械工程中的应用用机械涂机械涂层主要主要应用有以下四方面：用有以下四方面：n耐磨涂耐磨涂层，目的是减少零件的机械磨，目的是减少零件的机械磨损。n耐耐热涂涂层，其作用一是要降低部件的表面氧化，其作用一是要降低部件的表面氧化

35、倾向，二是要降低或部分隔向，二是要降低或部分隔绝部件所要承受的部件所要承受的热负荷，从而延荷，从而延长部件的高温使用寿命。部件的高温使用寿命。n防腐涂防腐涂层，用于保，用于保护受化学腐受化学腐蚀性气体或液体侵性气体或液体侵蚀的工件的工件。n装装饰涂涂层，起到装，起到装饰美美观的效果的效果。5.6 薄膜气相沉积技术薄膜气相沉积技术5.7 纳米加工技术纳米加工技术1.纳米技米技术微粒达到微粒达到纳米量米量级（0.1100 nm）时，会具有如下，会具有如下特性：特性：n量子尺寸效量子尺寸效应光、光、电、磁、磁、热、声及超、声及超导电性与宏性与宏观特性特性显著不同著不同 n小尺寸效小尺寸效应光吸收光吸

36、收显著增加著增加 n表面和界面效表面和界面效应表面原子表面原子处于于严重的缺位状重的缺位状态很容易与其他原子很容易与其他原子结合合 n宏宏观量子隧道效量子隧道效应微微观粒子具有粒子具有贯穿穿势垒的的能力，称能力，称为隧道效隧道效应 5.7 纳米加工技术纳米加工技术2.纳米加工机理与关米加工机理与关键技技术n纳米米级加工的物理加工的物理实质就是要切断原子就是要切断原子间的的结合，合，实现原子或分子的去除。原子或分子的去除。纳米加工的关米加工的关键技技术如下如下：n检测技技术光干涉光干涉测量、量、扫描描显微微测量量n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 n机床及工具机床

37、及工具高精度高精度、高、高刚度度、高、高稳定性定性3.纳米米级加工精度加工精度纳米米级加工精度的表征：加工精度的表征：n纳米米级尺寸精度尺寸精度 n纳米米级几何形状精度几何形状精度 n纳米米级表面表面质量量 5.7 纳米加工技术纳米加工技术4.基于基于扫描探描探针显微微镜的的纳米加工米加工（1）扫描隧道描隧道显微微镜的工作原理的工作原理图5-26 扫描隧道描隧道显微微镜的工作原理的工作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）原子力显微微镜工作原理工作原理图5-27 原子力原子力显微微镜原理原理（3）扫描探描探针显微关微关键

38、技技术和特点和特点n扫描探描探针显微微镜可以在各种条件（比如真空、常可以在各种条件（比如真空、常温、低温、高温、熔温）下和在温、低温、高温、熔温）下和在纳米尺度上米尺度上对表表面面进行加工行加工 nSTM是目前能提供具有是目前能提供具有纳米尺度的低能米尺度的低能电子束的子束的惟一手段惟一手段 扫描探描探针显微需要解决的关微需要解决的关键技技术：n振振动的影响的影响 n噪声的影响噪声的影响 n针尖的要求尖的要求 n样品的要求品的要求（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移移动原子原子 当当SPM的探的探针针尖尖对准准试件表面的某个原子件表面的某个原子并非常接近并非常接

39、近时，试件上的件上的该原子将受到两个方面原子将受到两个方面的力：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 首次原子操作：首次原子操作：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工作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n电子束光刻方法子束光刻方法是当前超大是当前超大规模集成模集成电路加工的路加工的最常用手段。当最常用手段。当AFM使用使用导电探探针时，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距离的反距离的反馈装置），由于装置），由于针尖端部极其尖尖端部极其尖锐，就可以将，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，使使试件表面光刻胶局部感光，将未感光的光刻胶件表面光刻胶局部感光，将未感光的光刻胶去除，再去除，再进行化学腐行化学腐蚀，可以得到极，可以得到极为精精细的光的光刻刻图形。形。