微细加工与纳米级加工技术概述

微细加工技术是指现代制造业中对微小零件的生产加工技术，在医疗、生物工程、微电子工程中已经显现出极广阔的应用前景。微细加工技术和纳米技术在2010年后将会发展成为仅次于计算机芯片制造的第二大制造产业，其市场价值可达600亿美元。微细加工技术是一个很大的题目，从广义角度来说，它包含了各种传统的超精密级加工方法以及一些全新的加工方法，例如化学加工、超声波加工、微波加工、激光加工、光刻加工、电铸加工、电子束加工等新型加工方法，而我们在这里所讨论的微细加工技术主要是指随半导体集成电路制造技术而发展起来的电子束、离子束、激光束加工技术，即习惯所说的“三束技术”。它们是微细加工的基础技术。

1.电子束加工（Electron Beam Machining简称EBM）

电子束加工是利用电子束的高能量密度来进行钻孔、切槽、光刻等加工。电子是非常小的粒子，它的质量虽小，却具有极高的能量（高达几百万电子伏），一束电子束可以被聚焦到1～2μm的直径，可以达到极高的能量密度（达109W/cm2），如此高能量密度的粒子束冲击到工件表面时，与材料原子相互碰撞，在几分之一微秒时间内产生极大的热能，使得工件被冲击的局部迅速气化、蒸发成为雾状粒子而飞散，达到加工的目的。这是电子束的热效应。利用电子束的热效应可以对材料进行钻孔、切割、焊接、淬火等加工。

如果用密度很低的电子束来照射某些高分子材料，会使这些高分子材料发生化学性质变化，这就是电子束的化学效应。利用这一效应可以在半导体硅片上进行电子束光刻。将电子束聚焦到1μm以内，直接在集成电路硅片的光致抗蚀剂涂层上进行扫描曝光，并把未经扫描曝光的涂层部分腐蚀掉，即制成了所需的电路；或者利用电路图形投影版，把电子束作为光源，可以在硅片涂层上产生缩小的曝光图形。利用这种方法可以在硅片上得到0.1～0.01μm宽度的微细线路。

电子束加工有很多特点：利用电子束的极高能量，可以直接对各种脆、硬、韧性金属材料和非金属材料、半导体材料、热敏材料易氧化金属材料等进行无应力加工；可以加工长径比达几十倍的深孔；电子束可以进行极其微细的聚焦，进行极微细加工；可以通过磁场和电场对电子束进行强度、束径、位置的迅速准确地控制，适于加工狭逢、异形孔、盲孔、弯孔、图形、型腔等；加工效率高，速度快。

2.离子束加工（Ion Beam Machining简称IBM）

离子束加工是指在真空条件下，将氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）等惰性气体通过离子源产生离子束，经过集束、聚焦、加速后射到被加工的表面上，来实现所需加工的目的。

原子是由原子核和围绕原子核转动的各层轨道上的电子所组成，呈中性。原子被电离后，若失去了外层电子就变成带正电荷的正离子（阳离子），若获得多余的电子就变成带负电荷的负离子（阴离子）。离子具有比电子大得多的质量，例如，一个氩离子的质量是电子质量的7.2万倍。所以，被加速后的离子具有远比电子大的多的动能（可以高达百亿电子伏）。质量大动能高的离子束在一定入射角条件下冲击工件的加工表面时，对工件材料的表面原子、分子产生弹性碰撞，并迅速将能量传递给对方，致使一部分原子、分子被抛出工件表面，这称为离子束溅射。材料的溅射率与离子束的入射角有很大关系。

当入射角为零（即离子束与表面垂直）时，溅射率最低，此时高能离子会深入到材料内部一定深度，并在那里进行能量交换，被置换成为原子；若控制离子能量，使它打入工件浅表层，使工件材料的化学成分、结构、性能发生变化，就形成了离子注入加工，用这种办法可以对半导体材料进行掺杂，如在单晶硅中注入磷、硼等杂质，制作晶体管、集成电路、太阳能电池等。还可以利用离子注入对金属材料表面进行强化处理。

当入射角接近60°时溅射率最高，可以用来对陶瓷、硅片、金刚石刀具材料进行原子、分子级的加工，对大规模集成电路芯片进行图形的刻蚀加工。(www.xing528.com)

由于离子束的能量能够被集成电路的抗蚀剂充分吸收，所以用离子束对集成电路图形进行光刻的曝光灵敏度要比电子束高出一个量级，所以集成电路的制作多采用离子束来曝光。

把离子束加速后打到某种靶材上，可以把靶材的原子和分子溅出来，再把靶材原子和分子打到工件的表面，可以对工件进行表面溅射镀膜加工。这种镀膜比电镀和蒸镀的附着力要强得多，效率也高，属于一种干式镀附工艺。如在表壳上离子镀氮化钛，在硬质合金刀具表面镀氮化钛，在金属或非金属表面镀附金属化合物薄膜、合金薄膜和氧化薄膜等，都是利用了离子束的溅射镀膜技术。

3.激光束加工（Laser Beam Machining简称LBM）

激光除了具有一般光的反射、折射、绕射和干涉等共性外，还具有强度高，亮度大，方向性好等特点，常用它的热效应来进行加工。由于激光具有非常好的单色性、相干性、方向性，虽然从激光器中发出的光通量并不大，但进入激光器谐振腔的光都是以固定波长，固定方向发射，所以聚焦后可以获得极大的功率密度。在理论上，其焦点处的功率密度可达107～1011W/cm2，将材料放在焦点上，温度将被加热到10000℃。当能量密度极高的激光束聚焦照射到工件表面时，照射区域的温度会迅速升高，能使任何高硬度、高强度的材料在千分之几秒的极短时间内急剧溶化和蒸发气化并通过强烈的气化冲击波将溶化物溅出，所以激光常用来打孔、切割、焊接和进行材料的表面改性处理。被加工的材料包括各类脆、硬材料、玻璃、石英晶体、金属、木材、布匹、纸张等。利用激光束的高能量对柴油机高压喷油嘴、化纤喷丝头、金刚石拉丝模、钟表宝石轴承等进行小孔或异形孔加工，孔径可达φ1～φ0.01mm，深径比达50～100。激光刻录技术则是利用激光的高能热效应在光盘的金属镀膜上打出宽0.4μm、深0.1μm的微细信息坑。信息轨迹线为1.6～1.8μm螺距由内向外发展的螺旋线。

4.纳米级加工技术简介

纳米级加工技术是纳米技术的一个部分，纳米技术一般是指有关纳米级（0.1～100nm）的材料、设计、制造、测量、控制及微型产品的技术。纳米技术目前主要包括纳米级测量技术、纳米级精度的加工（原子与分子的去除、移迁、重组）、纳米材料、纳米生物学等几方面的技术。

纳米级加工与传统机械加工有很大的不同，要达到1nm的加工精度，加工的最小单位必须是在亚微米级。由于原子间的距离为0.1～0.3nm，纳米级加工的物理实质就是要切断原子间的结合，达到去除原子和分子的目的。我们知道，物质是以共价键、金属键、离子键或分子结构的形式组合而成，其结合能量密度是很大的。表7-1给出了几种材料的原子结合能量密度，要切断原子间的结合需要105～106J/cm3的能量密度，而传统的切削加工中能量密度都较小，实际上只是利用了原子、分子或晶体之间的连接缺陷来进行分离加工的，应用传统的加工方法要切断原子结合是相当困难的，必须利用电子、离子、光子等基本能子量来进行加工。如何对基本能子进行有效的控制，以达到原子级的去除，是实现原子去除的加工关键。近年来纳米级加工技术有了很大的突破，如用电子束对超大规模集成电路进行光刻，已经能够达到0.1μm线宽的加工；离子刻蚀已经实现了微米级和纳米级表层材料的去除；利用扫描隧道显微技术已经可以实现单个原子的去除、迁移、增添和重组。

随着纳米级加工技术的不断发展，各种微型机件和机电系统也开始研制成功，纳米级器件和微型机械的开发研究已经成为各国微型机械发展的热门课题。

表7-1　几种材料的原子结合能量密度