微型机械中的工艺

第四节　微型机械中的IC工艺

一、微型机械制造方法的概述

传统的机械加工方法多种多样，如:铸、锻、焊、注塑、粉末烧结等成形工艺;车、铣、刨、磨等切削加工工艺;各种热处理、表面处理等改性工艺以及电火花加工、电解加工、激光加工等特种工艺。人们按设计出的机械图纸，根据其形状、尺寸、精度和技术要求，选择适当的加工方法，制定最佳工艺流程，以便以最低成本、最快速度生产出质量最好的零件来，再按照设计要求，完成整机装配、调试，制造出合格的产品。

由于加工件的尺度微小，微型机械不能简单套用上述的成熟技术。而需要采用一套新的加工方法。

1.微型机械加工的特点

首先，微型机械加工精度。曾经有这样设想，如果能像复印机缩小文件一样，将宏观机械进行复制，用大机械加工小机械，由小机械加工更小的机械，逐级缩小，如1m长的机件复制为100mm，100mm复制成10mm，然后再是10mm复制成lmm……这样下去，就可以得到微型机件了。但实际上这种复制方法难以奏效。这是因为，每次复制后的相对精度必然不能高于原机件的相对精度，一般还会差一些，这样即使能做出微米量级的机件，其偏差大小也可能会与微型机件本身的尺寸相比拟。而为了保证微型机件的相对精度，必须满足微型机件有很高的绝对精度，由此可见靠逐级缩小的办法是行不通的。

其次，如何装配微型机械。

如果像修理钟表的师傅装配钟表一样，把微型零件装配在一起，那需要十分仔细。但即使如此，当零件小到一定程度，如100μm、10μm时，由于质量极小，受到的粘性阻力大于重力，使得夹持与放开这些微小零件都十分困难。此外，装配的位置精度(如孔与轴的对中、垂直度、平行度等)也很难得到保证。所以对微型机械的装配和调试，也必须寻找新的途径。

第三，微型机械的价格问题。

由于微型机械尺寸小、循度高，如果是单件加工，产品价格必然昂贵，难以商品化，进而影响了它的实用性。因此，必须引入新技术，使之能批量生产，以降低成本，推动微型机械的市场发展。

最后，系统的微型化。

为了对微型机械进行控制，需要有相应的信息交换电路、各种传感器;作为微系统，这些部分也需要微型化。在考虑加工方法时，这一点也需要综合考虑进去。

2.常用的微型机械加工方法的分类

常用的微细加工的方法很多，我们大致将其分为三类。

第一类:使用传统的超精加工方法加工微型机件(如车、铣、刨、磨、钻)。这种技术一般是由加工工具本身的形状(如钻头)或加工工具的运动轨迹(如线切割)来决定微型工件的形状。

使用工具进行微细加工，必须考虑加工单位。所谓加工单位，是指加工工件时，每次加工时被除去材料的尺寸。比如，在切削直径为10±0.1mm和直径为0.1±00.1mm的软钢时，由于尺寸不同，精度要求也不同，两者使用的车床、车刀和夹具也不同。但是，从工件加工的角度来看，两者最大的差别是切屑的大小(宽度和厚度)不同。而这是由于两者所用的吃刀深度不同而引起的。即，在切削10mm工件时，在误差允许的范围内，可以采用能形成0.1mm切屑的吃刀深度;而对于直径为0.1mm的工件，就只允许能产生0.01mm切屑的吃刀深度。之所以这样选择吃刀深度，是因为在加工直径为0.1mm这样小的零件时，无论强度和刚度，都难以承受更大的吃刀深度了。

从另一角度看，这也是由构成软钢的晶粒大小所决定的。我们假定晶粒大小为5μm，那么，对直径为0.1mm的工件来说，整个直径上只能排列20个晶粒。也就是说，用较大的吃刀深度切削直径10mm的工件时，一般可忽视晶粒的大小;而当吃刀深度小于晶粒直径时，切削将在晶粒内进行。这说明对尺寸不同的工件加工，其微观机理也是截然不同的。

传统的超精密加工方法有其不可代替的优点，因为用它可以加工各种材料的工件，包括可加工三维立体的微型器件和形状复杂的、有较高加工精度的零件。但传统的超精密加工有其局限性，无论在加工精度、装配方法、批量生产和与电子元件和电路加工的兼容性方面，均存在需要改进之处。

另外，作为超精密加工方法，还可以利用特种加工工艺进行加工，如电子束、离子束加工等。这类加工方法，有加工精度高、可加工的深宽比大等优点。

第二类:利用成熟的IC(集成电路)加工工艺。比如，利用集成电路技术，它借助光刻法加工，一次可制造出成百上千个微型器件。批量生产，既降低了成本，易于商品化，又可通过控制蚀刻速率，使加工单位足够小。另外，采用适当的技术(如牺牲层技术)可实现“预装配”，避免了“后装配”的困难;进而，还可以将传感器和信息处理线路集成在微机构上，成为微系统。因此，这类方法成为微型机械制造工艺中非常重要的核心技术。这类方法具有微电子技术的优点:精度高，易加工，成本低等。但也不可避免地带有微电子表面加工的深宽比不够大及加工材料的局限性。除此之外，还存在微机械结构和集成电路的兼容性的问题。

第三类:一些有应用前景的技术。如LIGA工艺(光刻电铸成型工艺)，它具有很大深宽比，可加工多种材料，可以批量制作;又如光成形技术，所用加工设备较简单，可较迅速地制成复杂的立体形状;还有STM(扫描隧道显微技术)，可进行原子搬运、排列，等等。不过，这类技术各有各的特点，或加工设备昂贵(如电子同步加速器)，或与半导体工艺兼容性差，或目前精度尚不够高等原因，尚难普及。但当前正处在活跃的研究阶段，今后发展前途十分看好。

二、IC(integrated circuit，集成电路)工艺的主要步骤

IC工艺是微型机械制造的主要工艺之一。如图11-7所示，IC工艺的工艺流程的主要步骤包括:半导体晶体生长、晶片制备、薄膜成型、曝光、印刷、掺杂工艺、蚀刻工艺、切割、封装等。

图11-7　IC工艺的主要流程

1.晶体生长和晶片制备

为了制造半导体器件所用的材料——高纯度硅，需要对工业纯硅(97%)进行提纯。可以用化学方法，即通过化学方法将原始材料生成中间化合物，对中间化合物提纯，再通过还原或热分解得到纯度为99.9999%的硅。也可以用物理方法(区域法)提纯，即当熔化的半导体材料的其中一部分凝固、另一部分仍为液体时，凝固部分杂质浓度低于液态部分杂质浓度。因此当反复多次沿着同一方向一个区域接一个区域地把杂质“赶到”材料一端时，可纯化材料的其余部分;接下来，可在提纯后的多晶材料上生长一层单晶体。这一工艺过程称为晶体生长。具体做法是用一个籽晶与熔融(多晶)材料液面接触，然后缓慢提拉籽晶，在籽晶下面就会生长出新的单晶体来。为了使单晶材料的导电类型、电阻率和力学性质满足制作半导体器件的要求，有时还可能向晶体内掺入适当的杂质。

将拉制好的单晶按晶体取向切成薄片，经磨削、抛光处理，制备成晶片。晶片处理需十分小心，在超净车间进行以避免污染。作为薄膜的载体，往往将晶片作为衬底(也称基片)。也有用玻璃、陶瓷、金属和塑料作衬底的。对于微型结构，常用的衬底是玻璃和硅。为了使薄膜比较牢固地附着在衬底上，应选择两者相互浸润好的材料;另外，衬底的表面状态对在其上生长的薄膜结构及其物理性质影响很大，许多情况下对衬底表面活化处理可增加膜的附着力。衬底表面处理方法很多，如水洗法、溶剂清洗法、超声清洗法、离子轰击法、射线辐照法等，用以达到除掉表面物理和化学污染的目的。用研磨和蚀刻可改变表面粗糙度。蚀刻法加工单位是分子、原子量级的，几乎不产生变质层，没有加工的残余应力;对一些晶体，沿着解理面解理，也可得到超清洁的固体表面。

2.薄膜成形

薄膜成型技术多种多样。常用的成型技术如:氧化膜制作法(自然氧化法、干氧氧化法、水蒸气氧化法、湿氧氧化法);金属膜制作法(真空蒸镀法、溅射法、电镀法、气相淀积法);淀积薄膜制作方法(气相淀积法、低压气相淀积法、离子增强型气相淀积、有机金属淀积);各种外延膜制作方法(外延法、液相外延、卤素气相外延、分子束外延)。

3.掺杂工艺

所谓掺杂是人为地将某种或几种杂质，通过基片上方的掩膜，有控制地将一定量的原子导入被选择区域，掺杂的方法可用来制作PN结，也可用来做自停止腐蚀层，它常用在制作硅的微型机械装置中。

掺杂的方式很多。一般多用扩散和离子注入工艺。

4.光刻

在半导体细微加工工艺中，除了上述薄膜成型的方法(即在基片上增加材料的“加法”)外，还有光刻方法(即除去多余材料的“减法”)。灵活地应用加法和减法，可制作出各种各样的微结构来。

光刻技术内容是将掩膜上的图形经过曝光和印刷转移到薄膜或基片表面，通过选择性蚀刻，获得所需微结构的方法。

综上所述，IC工艺是利用物理层蚀刻工艺，在硅片上通过淀积、光刻与蚀刻的巧妙结合，来制作可动结构如微型齿轮、马达等。其中，光刻技术是指在基质材料上涂覆光致抗蚀剂(光刻胶)，然后利用极限分辨率极高的能量束来通过掩膜对光致蚀层进行曝光(光刻)。显影后，在抗蚀剂层上获得了与掩膜图形相同的极微细的几何图形，最后再利用其他手段来切割制作各种微型机械结构。

尽管如此，在有些场合，所要加工的微结构很复杂，单靠这些工艺还远远不够。由于刻蚀深度浅，微结构陡直性不理想，仅适用于二维结构和小深宽比的三维结构。此外，IC工艺仅适于硅材料加工，而硅材料又有结晶方向的限制，故这种常规微结构制作仅限于平面，是平面工艺，对于高深宽比的微结构和其他类型的材料制作便无能为力了。

三、有应用前景的微型机械制造工艺

1.光刻电铸成型(LIGA)工艺

上面提到，IC加工技术有其局限性，主要是它所制作的立体形状深宽比不够大，一般槽深不大于10μm;而且它所加工的材料也多局限在硅、玻璃等一些特定的材料上。

1960年前后，德国学者开发了LIGA(lithography galvanoformung abformung)工艺，此种工艺可制备高宽比大的三维结构，深度可大于1000μm，而加工宽度可小于lμm，加工精度可达0.1μm;可以加工多种金属材料，也可以加工陶瓷、塑料等非金属材料。这种工艺包括三个主要步骤:深层同步辐射X射线光刻、电铸成型以及注塑成型。同步辐射X射线的光源是由同步辐射加速器产生的，它是一种连续光谱的光，用于LIGA工艺光刻的同步辐射X射线的波长为0.1nm～0.2nm。

2.三维光成形工艺

作为微型加工工艺的方法之一，光成形方法(photoforming technique)起源于20世纪80年代后期，并越来越被人们所关注。

所谓光成形方法，一般是指由聚焦了的紫外线去照射液态光敏固化树脂，使其固化，形成机械零件的方法。用光成形方法可十分方便地制作复杂的立体形状，如可根据CT扫描的数据制作人体头部骨骼的模型，也可按计算机设计出的汽车模型做出汽车的树脂造型等。

工作时，首先借助于计算机辅助设计，在计算机中建立零件的三维立体模型，然后对模型进行数据处理，分切成一层层的薄片，以便三维光刻机按薄片形状去照射、固化树脂。光成形加工时照射的工艺过程，像是将一片片薄片沿等高线叠加起来而形成立体的过程。具体的做法是:用紫外光(一般用He-Cd连续激光器，它可发出波长325nm的紫外光，也可以用氙灯)照射树脂(也称紫外硬化树脂)，使其一层固化;然后，用紫外光照射第二层，固化第二层。这样多层被固化的树脂重叠起来，就可以拟合出复杂的立体形状来。树脂槽可安装在一个由计算机控制的平台上。

为了制作微型机械，需要减小光成形法的加工单位，提高加工的分辨率。可从两方面着眼:一是尽量减薄各层树脂的厚度，二是充分聚焦激光光点。

3.扫描隧道显微技术

当隧道显微镜(STM)工作时，其上的作为电极的探针与另一极——样品间将产生高度空间限制的电子束。这个电子束和一般聚焦的电子束一样，可对样品表面进行微细加工。由于针尖与样品距离只有纳米量级，它对样品产生作用的区域也是纳米量级。它可以对样品表面直接刻写，也可以对涂有抗蚀剂的表面进行光刻，可以用它产生的电子束在液体和气体的氛围下诱导淀积，还可以将吸附在样品表面的颗粒和原子进行搬运，等等。

所谓直接刻写，是指样品表面不涂覆抗蚀剂，也不要在某种气体和液体氛围中，利用改变控制Z向运动的压电元件的电压，或剩用调节偏置电压大小，用反馈法移动针尖，突然缩小针尖与样品间距，针尖下样品将出现纳米级的微结构变化(出现微坑或微凸起)。但对弹性大的材料，只改变针尖与样品的间距可能不产生作用，这时可在针尖与样品上加上一脉冲电压，就能使表面上产生微结构的变化。

STM产生的电子束，也可以在涂覆了足够薄的(几十纳米)均匀抗蚀膜表面上进行电子束光刻，但衬底须为导电材料。

STM产生的电子束在特定的气体或液体氛围下，可诱导淀积。STM产生的电子束能提供能量分解化合物，分解的成分包含金属成分就淀积在表面上，包合腐蚀成分就可在表面局部进行蚀刻。

用隧道显微镜的微细加工工艺，是一个刚刚兴起，目前还不够完善的工艺，但它具有很广泛的潜在功能:它有望将LSI线宽从微米降至纳米;它还可以一边检测表面形貌，一边利用诱导淀积和蚀刻法修补表面结构缺陷;可对原子、原子团进行操作，使其在表面上生长、迁延，达到材料设计的目的。总之其发展潜力是很大的，应用的前景是诱人的。