【文章內(nèi)容簡介】 旋轉(zhuǎn)電機(jī)、微齒輪及接觸探頭等具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)接觸部件，采用硅及其化合物材料，容易磨損。在此情況下，選用摩擦系數(shù)小、耐磨性能好的材料，對(duì)于改進(jìn)活動(dòng)微結(jié)構(gòu)的性能就非常重要。其中金剛石就是一種優(yōu)選材料 。 納米相材料簡介 ? 納米材料，包括納米金屬、納米半導(dǎo)體、納米陶瓷及其他納米固體材料，與常規(guī)的金屬、半導(dǎo)體、陶瓷及其他固體材料一樣，都是由同樣的原子組成的，只是這些原子排列成了納米級(jí)的原于團(tuán)，成為組成納米材料的結(jié)構(gòu)粒子或結(jié)構(gòu)單元。 ? 常規(guī)材料中的基本顆粒的直徑小到幾微米，大到幾 mm，包含幾十億個(gè)原子；而納米材料中的基本顆粒的直徑不到 100 nm，包含的原子不到幾萬個(gè)。一個(gè)直徑 3nm的原子團(tuán)，大約包含 900個(gè)原子，幾乎是書中個(gè)句點(diǎn)的百萬分之一，相當(dāng)于一條 30多米長的帆船與地球的比例。 ? 納米材料中基本顆粒的微小尺寸效應(yīng)，致使材料中的結(jié)構(gòu)顆粒或原子團(tuán)大多數(shù)是不存在位錯(cuò)的，因而大大減少了材料內(nèi)部的缺陷；因此，納米材料對(duì)機(jī)械應(yīng)力、光、電及磁的反應(yīng)完全不同于由微米級(jí)或 mm級(jí)結(jié)構(gòu)顆粒組成的常規(guī)材料，在宏觀上表現(xiàn)出異乎尋常的特性。例如，常規(guī)的陶瓷脆而易碎，變成納米相形式后就有了塑性，發(fā)生較大形變也不會(huì)裂成許多碎片，且可進(jìn)行切削加工。原因是， nm級(jí)晶粒之間不存在位錯(cuò)；相互之間滑動(dòng)起來容易形變。又如，納米相銅的強(qiáng)度比常規(guī)相銅的強(qiáng)度高出 5倍。 納米相材料的未來 ? 納米材料是當(dāng)今世界范圍的研究熱點(diǎn)，但它的科學(xué)史迄今只有 40余年，尚處在發(fā)展的初期。盡管納米材料涉及的范圍很寬，但目前報(bào)道較多的，集中在陶瓷材科和金屬間化合物方面。隨著研究的深入，人們會(huì)找到更有效的方法，在原子級(jí)上控制物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，更透徹地了解它們的特性，設(shè)計(jì)和制造出適應(yīng)各種需要的納米材料。納米相材料在未來的材料技術(shù)中將發(fā)揮越來越重要的作用。也可以預(yù)見，未來的納米金屬材料、電子材料、光子材料及其它固體材料的開發(fā)和生產(chǎn)，對(duì)于制造高性能的微機(jī)電器件、光電器件、傳感器件、制動(dòng)器件、微機(jī)電系統(tǒng)以及微機(jī)光電系統(tǒng)，必將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 第三部分 微機(jī)械制造技術(shù) 尺寸特征對(duì)制造加工的要求 ? 微機(jī)電系統(tǒng)的整體尺寸一般在 cm～ mm量級(jí)，單個(gè)元件尺寸則在幾百微米以下，最小加工尺寸達(dá)微米至亞微米級(jí)，最高尺寸精度達(dá) nm級(jí)。特征尺寸如此微小的元器件，其制作不能采用傳統(tǒng)的精密機(jī)械制造方法，而應(yīng)采用以腐蝕和表面顯微加工為基礎(chǔ)的微米和納米制造技術(shù)，統(tǒng)稱為微機(jī)械制造 (加工 )技術(shù)。 微機(jī)械制造技術(shù)概述 ? 微米和納米加工技術(shù)目的主要分為硅微機(jī)械加工技術(shù)、 LIGA技術(shù)、特種精密制造技術(shù)及固相鍵合技術(shù)。用這些技術(shù)可以制作出層與層之間差別很大的各種微結(jié)構(gòu)及器件，包括膜片、彈性梁、探針、孔、槽、錐體、空腔、叉指結(jié)構(gòu)、齒輪及閥門等，這些微機(jī)械結(jié)構(gòu)和器件與特殊用途的薄膜和高性能的微電子線路相綜合，就能制成多種多樣的微傳感器和微執(zhí)行器，并可組成微機(jī)械電子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同用途的測(cè)量和控制。 微機(jī)械制造技術(shù)的分類 ? 硅微機(jī)械制造技術(shù) 體型微加工技術(shù)（化學(xué)腐蝕、離子刻蝕）。 表面微加工技術(shù)（薄膜生成技術(shù)、犧牲層技術(shù)）。 ? LIGA技術(shù)和 SLIGA技術(shù) X光深度同步輻射 光刻 、 電鑄 制模及 注模 復(fù)制。 SLIGA技術(shù)由犧牲層技術(shù)和 LIGA技術(shù)結(jié)合而成。 ? 特種精密機(jī)械制造技術(shù) 激光精密加工和微放電加工技術(shù)。 ? 固相鍵合技術(shù) 陽極鍵合、硅－硅直接鍵合、玻璃封接鍵合、金屬共熔鍵合、冷壓焊鍵合。 硅微機(jī)械制造技術(shù) ? 硅微機(jī)械制造技術(shù)的基本工藝： 照相平版印刷技術(shù)（光刻）、氧化硅熱生長、化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、離子刻蝕、化學(xué)氣相淀積、物理氣相淀積、擴(kuò)散與注入、外延生長、犧牲層技術(shù)、陽極鍵合及硅－硅鍵合等。 ? 這些工藝的不同組合，形成了硅體型微加工技術(shù)、表面微加工技術(shù)及硅片結(jié)合技術(shù)等。 體型微加工技術(shù) ? 體型微加工技術(shù)的作用 主要利用專門的腐蝕技術(shù)刻蝕出三維微結(jié)構(gòu)。 ? 常用方法 ? 化學(xué)腐蝕 a)各向同性腐蝕， b)各向異性腐蝕、 c)腐蝕 停止技術(shù)。 ? 離子刻蝕 物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu) 物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu) 元素周期表 物質(zhì)元素的本性 ? 在周期表中每種元素包含特定數(shù)目的質(zhì)子，沒有任何兩種元素的質(zhì)子數(shù)是相同的。 ? 包含相同外層電子數(shù)的元素具有相似的 性能。 ? 外層具有 8個(gè)電子的元素是穩(wěn)定的。 ? 一種原子傾向于尋找其它原子結(jié)合形成 滿的外層電子層，即在外層具有 8個(gè)電子。 物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu) 分子間力隨間隔的變化 化學(xué)腐蝕和離子刻蝕 ? 腐蝕與刻蝕的定義： 腐蝕（刻蝕）是對(duì)材料的某些部分進(jìn)行有選擇的去除的工藝。 ? 腐蝕方法大致分為兩種： 化學(xué)腐蝕和離子刻蝕。 ? 化學(xué)腐蝕： 利用化學(xué)腐蝕液進(jìn)行腐蝕加工。 ? 離子刻蝕： 利用惰性氣體進(jìn)行腐蝕加工。 化 學(xué) 腐 蝕 ? 硅的各向同性腐蝕： 普遍采用氧化劑氮酸氫、去除劑氫氟酸、稀釋劑水或是乙酸的混合成的腐蝕劑（ HFHNO3腐蝕系統(tǒng)）。腐蝕中改變腐蝕劑的成分配比、摻雜濃度及溫度，可以獲得不同的腐蝕速率。 ? 硅的各向異性腐蝕： 常用的腐蝕劑有乙二胺、聯(lián)氨等和水。腐蝕速度取決于腐蝕晶向、摻雜原子濃度和溫度。 各向同性腐蝕 ? 濕法各向同性腐蝕多用在完成以下的工藝過程： ①清除硅表面上的污染或修復(fù)被劃傷了的硅 表面； ②形成單品硅平膜片； ③形成單晶硅或多晶硅薄膜上的圖案，以及 圓形或橢圓形截面的腔和槽等。 各向同性腐蝕的化學(xué)反應(yīng) ? 使用 HFHNO3腐蝕系統(tǒng)，硅表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)： ? 形成兩種可溶性物質(zhì)。 ? 上述腐蝕劑中用水作為稀釋濟(jì)。和水相比，用乙酸作為稀釋劑會(huì)更好些。因?yàn)橐宜崾侨跛幔婋x度較小，可在更寬范圍內(nèi)起稀釋作用，并保持 HNO3的氧化能力，使腐蝕液的氧化能力在使用期內(nèi)相當(dāng)穩(wěn)定。 22 2 22 2 6 2()S i S i S i O H H S iOS iO H F H S iF H O?? ? ? ?? ? ?硅等腐蝕線圖 各向異性腐蝕 硅晶面上的基準(zhǔn)面位置 各向異性腐蝕機(jī)制 ? 硅在不同晶面上的晶胞密度不同。 ? 使硅表面原子氧化所需要的能量與硅表面上未成對(duì)的每個(gè)原子懸掛鍵的密度有關(guān)。（ 100）面上每個(gè)硅原子有 2個(gè)懸掛鍵，而（ 111）面上每個(gè)硅原子只有 1個(gè)懸掛鍵，故（ 100）面腐蝕速率快。 硅的各向異性腐蝕機(jī)理 ? 硅在不同晶面上的 晶胞密度 可能是造成各向異性腐蝕的主要原因。 (111)面上的晶胞堆積密度大于 (100)面，所以 (111)面的腐蝕速率比預(yù)期的要慢。另一可能的因素是：使硅表面原子氧化所需要的能量。這與硅表面上未成對(duì)的 每個(gè)原子懸掛鍵的密度有關(guān) 。 (100)面上每個(gè)硅原子有 2個(gè)懸掛鍵，可以結(jié)合 2個(gè) ；而 (111)面上每個(gè)硅原子則僅有 1個(gè)懸掛鍵，故 (100)面比 (111)面的腐蝕速率快。而相應(yīng)的 背鍵 (與次表面硅原了結(jié)合的 Si— Si鍵，簡稱背鍵 )數(shù) ， (111)面上有 3個(gè)，(100）面上有 2個(gè)；因此 (111)面上使硅原子氧化需打斷 3個(gè)背鍵，所以 (111)面的腐蝕速率比預(yù)期的更慢。還有， (111)面較 (100)面更容易產(chǎn)生 自身預(yù)鈍化效應(yīng) ，這也是導(dǎo)致 (111)面腐蝕速率，慢上加慢的一個(gè)重要原因。 ?OH單晶硅的晶面腐蝕特性 ? 單晶硅為各向異性體，其化學(xué)腐蝕特性也是各向異性的，腐蝕速率： ? 一般而言，腐蝕速率 (100)/(111)面大約為400:1。而（ 110）面的腐蝕速率則介于二者之間。 ? （ 111）面腐蝕速率低的原因： 晶胞密度大；懸掛鍵少，導(dǎo)致 使硅表面原子氧化所需要的能量??； 背鍵多（ (111)面上使硅原子氧化需打斷 3個(gè)背鍵）；容易產(chǎn)生自身預(yù)鈍化效應(yīng)。 1 0 0 1 1 0 1 1 1VVV??各向異性腐蝕劑 ? 由于 腐蝕液的毒性小，又易操作，并能腐蝕出良好的表面，故常被采用。和各向同性腐蝕一樣，其腐蝕機(jī)理就是對(duì) 硅進(jìn)行氧化，反應(yīng)式為： 2K OH H O?22 6 22 ( )2 ( ) 4 ( ) 2K O H H O K O H HS i O H H O S i O H H? ? ??? ? ? ?? ? ? ?腐蝕過程 ? 各向異性腐蝕前，先在硅表面上覆蓋一層 或 ，作為掩模；然后刻出掩模窗口使硅暴露出來；再利用腐蝕液對(duì)硅襯