微纳加工大致可以分为“自上而下”和“自下而上”两类。“自上而下”是从宏观对象出发,以光刻工艺为基础,对材料或原料进行加工,小结果尺寸和精度通常由光刻或刻蚀环节的分辨力决定。“自下而上”技术则是从微观世界出发,通过控制原子、分子和其他纳米对象的相互作用力将各种单元构建在一起,形成微纳结构与器件。基于光刻工艺的微纳加工技术主要包含以下过程:掩模(mask)制备、图形形成及转移(涂胶、曝光、显影)、薄膜沉积、刻蚀、外延生长、氧化和掺杂等。在基片表面涂覆一层某种光敏介质的薄膜(抗蚀胶),曝光系统把掩模板的图形投射在(抗蚀胶)薄膜上,光(光子)的曝光过程是通过光化学作用使抗蚀胶发生光化学作用,形成微细图形的潜像,再通过显影过程使剩余的抗蚀胶层转变成具有微细图形的窗口,后续基于抗蚀胶图案进行镀膜、刻蚀等可进一步制作所需微纳结构或器件。 微纳结构器件是系统重要的组成部分,其制造的质量、效率和成本直接影响着行业的发展。河南微纳加工器件
2012年北京工业大学Duan等使用课题组自行研制的皮秒激光器对金属钼、钛和不锈钢进行了精密制孔研究,并利用旋切制孔方式对厚度为0.3mm的金属钼实现了孔径ϕ小于200μm的微孔加工,利用螺旋制孔方式在厚度为1mm不锈钢上实现了孔径为200μm的制孔效果。实验指出大口径微孔加工应采用旋切制孔方式,而加工较小口径时则更宜选用螺旋制孔方式。皮秒激光精密微孔加工过程中,对于厚度较小的材料(d<1μm),由于激光与材料作用的时间较短,以采用高峰值功率、窄脉宽的激光为宜,而对于厚度在百微米甚至超过1mm的金属材料的微孔加工,除了要考虑激光峰值功率以及脉冲宽度外,选择合适的制孔方式是必要的。此外,根据材料结构的不同还应该选择是否采用偏振输出等因素。驻马店微纳加工器件封装在我国,微纳制造技术同样是重点发展方向之一。
光刻是半导体制造中常用的技术之一,是现代光电子器件制造的基础。然而,深紫外和极紫外光刻系统及其相应的光学掩模都是基于低速高成本的电子束光刻(EBL)或者聚焦离子束刻蚀(FIB)技术,导致其价格都相对昂贵。因此,无掩模的高速制备法是微纳结构制备的优先方法。在这些无掩模方法中,直接激光写入(direct laser writing, DLW)是一种重要的、被广采用的微处理技术,能够提供比较低的价格和相对较高的吞吐量。但是,实际应用中存在两个主要挑战:一是与FIB和EBL相比,分辨率还不够高。
在微电子与光电子集成中,薄膜的形成方法主要有两大类,及沉积和外延生长。沉积技术分为物理沉积、化学沉积和混合方法沉积。蒸发沉积(热蒸发、电子束蒸发)和溅射沉积是典型的物理方法;化学气相沉积是典型的化学方法;等离子体增强化学气相沉积是物理与化学方法相结合的混合方法。薄膜沉积过程,通常生成的是非晶膜和多晶膜,沉积部位和晶态结构都是随机的,而没有固定的晶态结构。外延生长实质上是材料科学的薄膜加工方法,其含义是:在一个单晶的衬底上,定向地生长出与基底晶态结构相同或相似的晶态薄层。其他薄膜成膜方法,如电化学沉积、脉冲激光沉积法、溶胶凝胶法、自组装法等,也都广用于微纳制作工艺中。机械微加工是微纳制造中较方便,也较接近传统材料加工方式的微成型技术。
浅谈表面功能微纳结构及其加工方法:目前可以实现表面微纳结构的加工方法主要有以下几种。(1)光刻技术,利用电子束或激光光束可以得到加工尺寸在几十纳米的微纳结构,该方法优势在于精度高,得到的微纳结构形状可以得到很好的控制;(2)飞秒激光加工技术,由于飞秒激光具有不受衍射极限限制的特点,可以加工出远小于光斑直径的尺寸,研究人员通过试验发现,采用飞秒激光加工出10nm宽的纳米线,在微纳加工领域具有独特优势。另外飞秒激光双分子聚合技术可以实现纳米尺寸结构的加工;(3)自组装工艺,光刻与自组装和刻蚀工艺结合,通过自组装工艺,可以得到6nm左右的纳米孔。(4)等离子刻蚀技术,等离子刻蚀技术是应用广的微纳米加工手段,加工精度高,是集成电路制造中关键的工艺之一。(5)沉积法,主要包括物相沉积和化学气相沉积,该方法主要是利用气相发生的物理化学过程,在工件表面形成功能型或装饰性的金属,可以用来实现微纳米结构涂层的制造。(6)微纳增材制造技术,微纳增材制造技术主要指微纳尺度电喷增材制造和微激光增材制造技术,由于微纳增材技术可以不受形状限制,可多材料协同制造,具有较大的发展前景。除以上几种加工技术外。 高精度的微细结构通过控制聚焦电子束(光束)移动书写图案进行曝光。铜陵微纳加工应用
在硅材料刻蚀当中,硅针的刻蚀需要用到各向同性刻蚀,硅柱的刻蚀需要用到各项异性刻蚀。河南微纳加工器件
溅射镀膜有两种方式:一种称为离子束溅射,指真空状态下用离子束轰击靶表面,使溅射出的粒子在基体表面成膜,该工艺较为昂贵,主要用于制取特殊的薄膜;另一种称为阴极溅射,主要利用低压气体放电现象,使处于等离子状态下的离子轰击靶面,溅射出的粒子沉积在基体上。它采用平行板电极结构,膜料物质做成的大面积靶为阴极,支持基体的基板为阳极,安装于钟罩式真空容器内。为减少污染,先将钟罩内的压强抽到小于10-3~10-4Pa,然后充入Ar气,使压强维持在1~10Pa。在两极之间加数千伏的电压进行溅射镀膜。与蒸发镀膜相比,溅射镀膜时靶材(膜料)无相变,化合物成分稳定,合金不易分馏,因此适合制备的膜材非常广。由于溅射沉积到衬底上的粒子能量比蒸发时的能量高50倍,它们对衬底有清洗和升温作用,所以形成的薄膜附着力大。特别是溅射镀膜容易控制膜的成分,通过直接溅射或者反应溅射,可以制备大面积均匀的各种合金膜、化合物膜、多层膜和复合膜。溅射镀膜易实现连续化、自动化作业和规模化生产。但是,由于溅射时要使用高电压和气体,所以装置比较复杂,薄膜易受溅射气氛的影响,薄膜沉积速率也较低。此外,溅射镀膜需要事先制备各种成分的靶,装卸靶不太方便。 河南微纳加工器件
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