精密工程與納米技術(shù)王先逵清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系制造工程研究所2019.11精密工程與納米技術(shù)王先逵1

精密加工和超精密加工技術(shù)

微細(xì)加工技術(shù)

納米技術(shù)與微型機(jī)械

精密加工和超精密加工技術(shù)

微細(xì)加工技術(shù)

納米技術(shù)與微型機(jī)2精密加工和超精密加工技術(shù)

精密加工和超精密加工技術(shù)

3精密加工的發(fā)展階段精密加工的發(fā)展階段4精密工程的范疇精密工程是精密加工和超精密加工技術(shù)的總稱。精密加工是指加工精度為1~0.1微米、表面粗糙度為Ra0.1~0.01微米的加工技術(shù)。超精密加工是指加工誤差小于0.1微米，表面粗糙度小于Ra0.025微米的加工技術(shù)，又稱為亞微米加工技術(shù)。精密工程的范疇精密工程是精密加工和超精密加工技術(shù)的總稱。5超精密加工技術(shù)目前，大多數(shù)學(xué)者都將超精密加工技術(shù)分為兩大類：

機(jī)械超精密加工技術(shù)非機(jī)械超精密加工技術(shù)超精密加工技術(shù)6機(jī)械超精密加工技術(shù)金剛石刀具超精密切削金剛石微粉砂輪超精密磨削精密研磨和拋光其它機(jī)械超精密加工技術(shù)金剛石刀具超精密切削7大型光學(xué)金剛石車床（LODTM)

美國(guó)LLN實(shí)驗(yàn)室，加工直徑1625mm,長(zhǎng)度508mm,重量1360公斤大型光學(xué)金剛石車床（LODTM)

美國(guó)LLN實(shí)驗(yàn)室，加工直徑8盒式超精密立式車床1.用低熱變形復(fù)合材料制成的拖板；2.淋浴冷卻液；3.陶瓷滾珠死杠；4.對(duì)稱熱源裝置；5.冷卻液噴射裝置；6.切屑回收裝置；7.熱變形補(bǔ)償微位移工作臺(tái)；8.卡盤附件；9.切屑回收裝置；10.油溫控制裝置；11.隔振功能和水平調(diào)整功能裝置；12.空氣靜壓主軸；13.冷卻散熱片；14.熱對(duì)稱殼體結(jié)構(gòu)；15.恒溫循環(huán)裝置；16.兩個(gè)熱對(duì)稱圓導(dǎo)軌；17.熱源隔離裝置；18.熱流控制功能和衰減能調(diào)整功能裝置；19.滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)用電子冷卻軸；20.熱對(duì)稱三點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)盒式超精密立式車床1.用低熱變形復(fù)合材料制成的拖板；2.9非機(jī)械超精密加工技術(shù)主要指微細(xì)電火花加工、微細(xì)電解加工、微細(xì)超聲加工、電子束加工、離子束加工、激光束加工等非傳統(tǒng)加工的精密化、微型化。可以很明顯地看出，所謂非機(jī)械超精密加工技術(shù)實(shí)際上就是超精密特種加工，這對(duì)特種加工而言是一個(gè)極好的機(jī)遇。非機(jī)械超精密加工技術(shù)不僅包含了通常的特種加工技術(shù)，而且包含了集成電路制作的一些微細(xì)加工技術(shù)。非機(jī)械超精密加工技術(shù)10微細(xì)加工技術(shù)

微細(xì)加工技術(shù)

11微細(xì)加工技術(shù)的概念微細(xì)加工技術(shù)是指制造微小尺寸零件或微小尺寸的加工技術(shù)。它是在半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)的基礎(chǔ)上形成并發(fā)展的，是大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)。是信息時(shí)代、微電子時(shí)代、光電子時(shí)代的關(guān)鍵制造技術(shù)之一。

微細(xì)加工技術(shù)的概念微細(xì)加工技術(shù)是指制造微小尺寸零件或微小尺寸12微細(xì)加工方法

機(jī)械微細(xì)加工方法

非機(jī)械微細(xì)加工方法

能束加工

電鑄

光刻和立體光刻成形

半導(dǎo)體微細(xì)加工

等等微細(xì)加工方法

機(jī)械微細(xì)加工方法

非機(jī)械微細(xì)加工方法

13微細(xì)加工技術(shù)微細(xì)超聲加工微細(xì)電解加工微細(xì)電火花加工電火花電解超聲加工立體光刻成形光刻電鑄加工能束加工半導(dǎo)體微細(xì)加工體硅加工硅表面微加工輻射光刻,電鑄,模鑄(X射線光刻)準(zhǔn)輻射光刻,電鑄,模鑄(紫外光刻)離子束加工電子束加工激光束加工各向異性腐蝕自停止腐蝕深層離子腐蝕電化學(xué)腐蝕等離子及反應(yīng)離子刻蝕犧牲層腐蝕淀積微細(xì)加工技術(shù)微細(xì)超聲加工電火花電解超聲加工立體光刻成形光刻電14集成電路制作技術(shù)

一塊集成電路芯片的主要工藝方法

集成電路制作技術(shù)

一塊集成電路芯片的主要工藝方法15窗口擴(kuò)散層鍍膜層基片外延層氧化膜a)外延生長(zhǎng)b)氧化c)光刻d)選擇擴(kuò)散e)真空鍍膜圖3.1集成電路芯片的制作工藝窗口擴(kuò)散層鍍膜層基片外延層氧化膜16外延生長(zhǎng)是在半導(dǎo)體晶片表面沿原來(lái)的晶體結(jié)構(gòu)晶方向通過(guò)氣相法（化學(xué)氣相沉積）生長(zhǎng)出一層厚度為10μm以內(nèi)的單晶層，以提高晶體管的性能，稱之為外延生長(zhǎng)。外延生長(zhǎng)層的厚度及其電阻率由所制作的晶體管性能決定。

外延生17氧化是在外延生長(zhǎng)層表面通過(guò)熱氧化法生成氧化膜，該氧化膜與晶片附著緊密，是良好的絕緣體，可作絕緣層防止短路和電容絕緣介質(zhì)。

18光刻即刻蝕，是在氧化膜上涂覆一層光致抗蝕劑，經(jīng)圖形復(fù)印曝光（或圖形掃描曝光）、顯影、刻蝕等處理后，在基片上形成所需的精細(xì)圖形，在端面上形成窗口。光刻19選擇擴(kuò)散基片經(jīng)外延生長(zhǎng)、氧化、光刻后，置于惰性氣體或真空中加熱，并與合適的雜質(zhì)（如硼、磷等）接觸，則窗口處的外延生長(zhǎng)表面將受到雜質(zhì)擴(kuò)散，形成1~3μm深的擴(kuò)散層，其性質(zhì)和深度取決于雜質(zhì)種類、氣體流量、擴(kuò)散時(shí)間和擴(kuò)散溫度等因素。選擇擴(kuò)散后就可形成半導(dǎo)體的基區(qū)（P結(jié)）或發(fā)射區(qū)（N結(jié)）。選20真空蒸鍍?cè)谡婵杖萜髦?，加熱?dǎo)電性能良好的金、銀、鉑等金屬，使之成為蒸氣原子而飛濺到芯片表面，沉積形成一層金屬膜，是為真空蒸鍍，完成集成電路中的布線和引線準(zhǔn)備，再經(jīng)過(guò)光刻，即可得到布線和引線。

21微細(xì)加工的發(fā)展微細(xì)加工的發(fā)展出現(xiàn)了超微細(xì)加工，它們都以電子束、離子束和激光束三束加工為基礎(chǔ)，采用沉積、刻蝕、濺射、蒸鍍等加工手段進(jìn)行各種處理。目前微細(xì)加工向著高深寬比三維工藝方向發(fā)展。

微細(xì)加工的發(fā)展微細(xì)加工的發(fā)展出現(xiàn)了超微細(xì)加工，它們都以電子束22納米技術(shù)與微型機(jī)械納米技術(shù)與微型機(jī)械23納米技術(shù)納米技術(shù)通常是指納米級(jí)0.1nm~100nm的材料、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)、控制等一系列技術(shù)。它是科技發(fā)展的一個(gè)新興領(lǐng)域，它不是簡(jiǎn)單的“精度提高”和“尺寸縮小”，而是從物理的宏觀領(lǐng)域進(jìn)入到微觀領(lǐng)域，一些宏觀的幾何學(xué)、力學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)等都不能正常描述納米級(jí)的工程現(xiàn)象與規(guī)律。納米技術(shù)納米技術(shù)通常是指納米級(jí)0.1nm~100nm的材料、24納米技術(shù)主要包括：

納米材料納米級(jí)精度制造技術(shù)納米級(jí)精度和表面質(zhì)量檢測(cè)納米級(jí)微傳感器和控制技術(shù)微型機(jī)電系統(tǒng)納米生物學(xué)等

納米技術(shù)主要包括：納米材料25微型機(jī)電系統(tǒng)（微型機(jī)械）微型機(jī)械可以認(rèn)為是一個(gè)產(chǎn)品其特征尺寸范圍應(yīng)在1μm~1mm，考慮到當(dāng)前的技術(shù)水平，尺寸在1~10mm的小型機(jī)械和將來(lái)利用生物工程和分子組裝可實(shí)現(xiàn)的1nm~1μm的納米機(jī)械或分子機(jī)械，均可屬于微型機(jī)械范疇。微型機(jī)電系統(tǒng)（微型機(jī)械）微型機(jī)械可以認(rèn)為是一個(gè)產(chǎn)品26微型機(jī)電系統(tǒng)力光聲溫度化學(xué)其他傳感器運(yùn)動(dòng)接口其他微型機(jī)電系統(tǒng)執(zhí)行器模擬信號(hào)處理數(shù)字信號(hào)處理能量信息其他感測(cè)量控制量通訊微型機(jī)電系統(tǒng)力光聲溫度化學(xué)其他運(yùn)動(dòng)接口其他微型機(jī)電系統(tǒng)模27微型電機(jī)微型電機(jī)28微型閥微型閥29微型泵微型泵30微型電機(jī)微型電機(jī)31微型飛機(jī)微型飛機(jī)32微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)

微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)

33微推進(jìn)器微推進(jìn)器34微型機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展前沿微型機(jī)械學(xué)研究微型結(jié)構(gòu)加工技術(shù)（高深寬比多層微結(jié)構(gòu)的表面加工和體加工技術(shù)）微裝配微鍵合微封裝技術(shù)微測(cè)試技術(shù)典型微器件、微機(jī)械的設(shè)計(jì)制造技術(shù)等。微型機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展前沿微型機(jī)械學(xué)研究35謝謝！謝謝！36精密工程與納米技術(shù)王先逵清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系制造工程研究所2019.11精密工程與納米技術(shù)王先逵37

精密加工和超精密加工技術(shù)

微細(xì)加工技術(shù)

納米技術(shù)與微型機(jī)械

精密加工和超精密加工技術(shù)

微細(xì)加工技術(shù)

納米技術(shù)與微型機(jī)38精密加工和超精密加工技術(shù)

精密加工和超精密加工技術(shù)

39精密加工的發(fā)展階段精密加工的發(fā)展階段40精密工程的范疇精密工程是精密加工和超精密加工技術(shù)的總稱。精密加工是指加工精度為1~0.1微米、表面粗糙度為Ra0.1~0.01微米的加工技術(shù)。超精密加工是指加工誤差小于0.1微米，表面粗糙度小于Ra0.025微米的加工技術(shù)，又稱為亞微米加工技術(shù)。精密工程的范疇精密工程是精密加工和超精密加工技術(shù)的總稱。41超精密加工技術(shù)目前，大多數(shù)學(xué)者都將超精密加工技術(shù)分為兩大類：

機(jī)械超精密加工技術(shù)非機(jī)械超精密加工技術(shù)超精密加工技術(shù)42機(jī)械超精密加工技術(shù)金剛石刀具超精密切削金剛石微粉砂輪超精密磨削精密研磨和拋光其它機(jī)械超精密加工技術(shù)金剛石刀具超精密切削43大型光學(xué)金剛石車床（LODTM)

美國(guó)LLN實(shí)驗(yàn)室，加工直徑1625mm,長(zhǎng)度508mm,重量1360公斤大型光學(xué)金剛石車床（LODTM)

美國(guó)LLN實(shí)驗(yàn)室，加工直徑44盒式超精密立式車床1.用低熱變形復(fù)合材料制成的拖板；2.淋浴冷卻液；3.陶瓷滾珠死杠；4.對(duì)稱熱源裝置；5.冷卻液噴射裝置；6.切屑回收裝置；7.熱變形補(bǔ)償微位移工作臺(tái)；8.卡盤附件；9.切屑回收裝置；10.油溫控制裝置；11.隔振功能和水平調(diào)整功能裝置；12.空氣靜壓主軸；13.冷卻散熱片；14.熱對(duì)稱殼體結(jié)構(gòu)；15.恒溫循環(huán)裝置；16.兩個(gè)熱對(duì)稱圓導(dǎo)軌；17.熱源隔離裝置；18.熱流控制功能和衰減能調(diào)整功能裝置；19.滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)用電子冷卻軸；20.熱對(duì)稱三點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)盒式超精密立式車床1.用低熱變形復(fù)合材料制成的拖板；2.45非機(jī)械超精密加工技術(shù)主要指微細(xì)電火花加工、微細(xì)電解加工、微細(xì)超聲加工、電子束加工、離子束加工、激光束加工等非傳統(tǒng)加工的精密化、微型化?？梢院苊黠@地看出，所謂非機(jī)械超精密加工技術(shù)實(shí)際上就是超精密特種加工，這對(duì)特種加工而言是一個(gè)極好的機(jī)遇。非機(jī)械超精密加工技術(shù)不僅包含了通常的特種加工技術(shù)，而且包含了集成電路制作的一些微細(xì)加工技術(shù)。非機(jī)械超精密加工技術(shù)46微細(xì)加工技術(shù)

微細(xì)加工技術(shù)

47微細(xì)加工技術(shù)的概念微細(xì)加工技術(shù)是指制造微小尺寸零件或微小尺寸的加工技術(shù)。它是在半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)的基礎(chǔ)上形成并發(fā)展的，是大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)。是信息時(shí)代、微電子時(shí)代、光電子時(shí)代的關(guān)鍵制造技術(shù)之一。

微細(xì)加工技術(shù)的概念微細(xì)加工技術(shù)是指制造微小尺寸零件或微小尺寸48微細(xì)加工方法

機(jī)械微細(xì)加工方法

非機(jī)械微細(xì)加工方法

能束加工

電鑄

光刻和立體光刻成形

半導(dǎo)體微細(xì)加工

等等微細(xì)加工方法

機(jī)械微細(xì)加工方法

非機(jī)械微細(xì)加工方法

49微細(xì)加工技術(shù)微細(xì)超聲加工微細(xì)電解加工微細(xì)電火花加工電火花電解超聲加工立體光刻成形光刻電鑄加工能束加工半導(dǎo)體微細(xì)加工體硅加工硅表面微加工輻射光刻,電鑄,模鑄(X射線光刻)準(zhǔn)輻射光刻,電鑄,模鑄(紫外光刻)離子束加工電子束加工激光束加工各向異性腐蝕自停止腐蝕深層離子腐蝕電化學(xué)腐蝕等離子及反應(yīng)離子刻蝕犧牲層腐蝕淀積微細(xì)加工技術(shù)微細(xì)超聲加工電火花電解超聲加工立體光刻成形光刻電50集成電路制作技術(shù)

一塊集成電路芯片的主要工藝方法

集成電路制作技術(shù)

一塊集成電路芯片的主要工藝方法51窗口擴(kuò)散層鍍膜層基片外延層氧化膜a)外延生長(zhǎng)b)氧化c)光刻d)選擇擴(kuò)散e)真空鍍膜圖3.1集成電路芯片的制作工藝窗口擴(kuò)散層鍍膜層基片外延層氧化膜52外延生長(zhǎng)是在半導(dǎo)體晶片表面沿原來(lái)的晶體結(jié)構(gòu)晶方向通過(guò)氣相法（化學(xué)氣相沉積）生長(zhǎng)出一層厚度為10μm以內(nèi)的單晶層，以提高晶體管的性能，稱之為外延生長(zhǎng)。外延生長(zhǎng)層的厚度及其電阻率由所制作的晶體管性能決定。

外延生53氧化是在外延生長(zhǎng)層表面通過(guò)熱氧化法生成氧化膜，該氧化膜與晶片附著緊密，是良好的絕緣體，可作絕緣層防止短路和電容絕緣介質(zhì)。

54光刻即刻蝕，是在氧化膜上涂覆一層光致抗蝕劑，經(jīng)圖形復(fù)印曝光（或圖形掃描曝光）、顯影、刻蝕等處理后，在基片上形成所需的精細(xì)圖形，在端面上形成窗口。光刻55選擇擴(kuò)散基片經(jīng)外延生長(zhǎng)、氧化、光刻后，置于惰性氣體或真空中加熱，并與合適的雜質(zhì)（如硼、磷等）接觸，則窗口處的外延生長(zhǎng)表面將受到雜質(zhì)擴(kuò)散，形成1~3μm深的擴(kuò)散層，其性質(zhì)和深度取決于雜質(zhì)種類、氣體流量、擴(kuò)散時(shí)間和擴(kuò)散溫度等因素。選擇擴(kuò)散后就可形成半導(dǎo)體的基區(qū)（P結(jié)）或發(fā)射區(qū)（N結(jié)）。選56真空蒸鍍?cè)谡婵杖萜髦?，加熱?dǎo)電性能良好的金、銀、鉑等金屬，使之成為蒸氣原子而飛濺到芯片表面，沉積形成一層金屬膜，是為真空蒸鍍，完成集成電路中的布線和引線準(zhǔn)備，再經(jīng)過(guò)光刻，即可得到布線和引線。

57微細(xì)加工的發(fā)展微細(xì)加工的發(fā)展出現(xiàn)了超微細(xì)加工，它們都以電子束、離子束和激光束三束加工為基礎(chǔ)，采用沉積、刻蝕、濺射、蒸鍍等加工手段進(jìn)行各種處理。目前微細(xì)加工向著高深寬比三維工藝方向發(fā)展。

微細(xì)加工的發(fā)展微細(xì)加工的發(fā)展出現(xiàn)了超微細(xì)加工，它們都以電子束58納米技術(shù)與微型機(jī)械納米技術(shù)與微型機(jī)械59納米技術(shù)納米技術(shù)通常是指納米級(jí)0.1nm~100nm的材料、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)、控制等