微细加工技术
1. 微细加工技术现状
1990年微细加工技术的生产水平是100μm 到0·8μm 。到1994年,16M DRAM 64M DRAM已
生产,254M DRAM 也将投入生产。16—64M DRAM 用0·3μm ~ 0·4μm 的微细加工技术。256MDRAM 用0·25μm 的加工技术。目前, 实验室已做出1000M DRAM的产品。也就是说,0·1μm~0·08m 的微细加工技术, 不久也将投入生产。当前微细加工技术的动向是:一方面将生产16—64M DRAM的设备, 进行改进, 以提高生产率, 另一方面是开发新工艺、新设备。微细加工技术的关键是曝光技术和干蚀技术。我们将以这两方面为重点, 介绍微细加工技术的现状和发展动态。1 16—64M DRAM生产技术的改进当前生产16M DRAM的设备, 一般都能生产64M DRAM。它们主要用缩小投影曝光装置, 典型的有NSR —2005i10c,Ex10B,NSR4425i 。其主要参数, 如表1所示。缩小投影曝光装置的特点上述三种装置, 都能生产14-64M DRAM器件, 其中NSR-4425i 能生产256M DRAM器件, 光刻水平达到0·25μm 。
表1 主要参数
这三种设备, 校正系统都经过改进, 稳定性大大提高。同时, 对干涉反射镜曲线, 进行补正。干涉光
路进行空调, 使精度大大提高。另外, 对放大倍率也进行补偿和修正。使误差控制在10 nm以下。
使用准分子激光器, 使曝光功率下降, 曝光成本下降。
NSR-4425i, 是一种成本较低而性能优良的设备, 由于它采用了混合和匹配平台, 能生产16M 、
64M 、256M DRAM器件。场尺寸达44 mm×44mm, 主流场为22 mm×44 mm,生产256M DRAM器件, 月产达2万只。
1.1印刷式曝光机
1.1.1概要
它是一种等倍率曝光机, 采用混合和匹配平台, 具有“印刷”功能, 故而又称它为超技术步进机。
其突出优点是生产性高而成本低。该类机中的优秀者是224i 型。它使用i 线作曝光光线, 大口径光学系统, 超高精度的平台, 曝光光的波长为355~375nm。每小时能生产200 mm片80枚。150 mm片105枚, 主要参数如表2所示。
表2 Model 2244i参数
1.1.2结构和特征
该装置的最大特征是采用高性能的1×HerShel-Wynne-Dyson 光学系数。它采用两个消色透镜两
个棱镜一个主透镜, 构成光学系统, 曝光场较大, 故而生产率较高。曝光时, 片上得到的能量较大, 故而曝光时间短, 由于它采用混合式和匹配式的平板印刷方法, 使生产线成本低而产量高。
1.2电子束直接扫描系统
电子束直接扫描系统, 也叫无掩膜曝光系统。以前就有这种系统, 但其产量低, 未能推广, 本文介绍
的HL-800D 电子束直接扫描系统可生产64MDRAM 器件, 并且产量也较高, 成本较低。
1.2.1电子束直接扫描系统的优点
电子束直接扫描系统的优点, 如表3所示, 从表3. 看出, 它有很多优点, 主要是成本低, 开发期短, 适应
性强特别适合科研单位和小批量生产用。
表3 电子束直接扫描系统的优点
若是每日生产250枚片以下, 用电子束直接扫描系统, 生产成本较低, 它比用掩膜曝光, 成本低
得多。
电子束直接扫描系统, 虽然其电子束偏转范围有限(3 mm~5 mm),但其扫描面积可以“拼”。这样,
扫描面积就不受限制。该设备, 也可生产256MDRAM 器件。1.3.2HL —800D 概况日立公司开发的HE —800D 系统, 其加工水平达0·2μm~0·3μm,1·50 mm,生产能力达10~20(枚/h),表4是它的主要参数表
表4 HL —800D 系列基本参数
一次成型扫描法, 是通过转写掩膜形成的, 如图1所示, 通过转写掩膜可一次形成较为复杂的图形
或使扫描线更精度。
图1 一次成型和可变成型扫描图
通过使用补偿法并运用转写掩膜, 或可以提高扫描速度, 或可以提高扫描线的精细程度, 但其代
价是失去了无掩膜的优点(有转写膜) 。用转写掩膜, 该装置可达到0·05μm 的直线尺寸, 精度可达到0·15μm, 甚至有人说, 这类设备将来可生产1GDRAM 器件。
1.3干蚀技术
在微细加工中, 尤其是达到0·25μm 水平的精细加工中, 干蚀技术就显得很重要, 现在微细加工
对干蚀的要求如下:
a) 片面积大, 均匀性要好;
b) 无机械损伤;
c) 有高的选择比;
d) 高的纵深比;
e) 离子控制性要好;
f) 处理速度快。
要达到上述六项要求, 用以前的腐蚀方法是不行的, 新开发的ECR*,能很好的满足上述要求。
ECR 的特点:等离子密度大, 电子动能大, 干蚀质量高, 速度快。搭载有ECR 的干蚀装置
APEX7000/PINADE8000具有极好的干蚀性能:
1) 对氧化膜的干蚀, 选择比达到50~100而且
尺寸误差极小。
2) 对铝(Al)加工:选择比达到3以上, 并能完全防止腐蚀。以上设备腐蚀的结果, 如图2所示。从
图2看出:这种装置的干蚀效果, 是极好的。
图2 APEX7000/PINADE8000机干蚀效果
TiN/Al-Si-Cu/TiN/Tiの的蚀刻实例(蚀刻速度:0·755nm/min,均一性±3·8%,选择比相对P ·R3·9)
电子束激励的等离子发生装置, 是另一种较好的干蚀装置。它是电子和电场作用, 来产生高密度
的等离子装置, 其特点是:
1) 电子能量分布, 加速均可控制;
2) 采用差动排气方式, 氧、氯等还原气体从侧面导入, 故而阴极寿命长。
3) 能产生高密度的等离子。
这种装置的原理图, 如图3所示。图中的反磁场线圈, 生产尖峰磁场。在片子附近, 产生磁场扩散
区。由等离子室射入的电子束, 沿磁力线迅速扩散, 形成均匀的等离子区(可形成200 mm以上的等离子注) 。等离子室中间的永磁体, 使电子分散, 多极磁场, 使电子和离子复合率降低。
图3 电子束激励等离子发生装置原理图
该装置的干蚀性能较好, 均匀性高, 腐蚀速度快。它对光刻胶的腐蚀, 选择比大于40。对氧化膜的
选择比大于150。对GaAs 的腐蚀速度快, 均匀性也好, 选择比高, 并有保角性。
另外, 最近还出现了多通道干蚀装置。这类装置是一种投资少、效益高的干蚀装置。这类装置,
也是干蚀装置发展的一个重要方面。
2. 微细加工技术发展研究
微细加工技术是集成电路(lC)工业的基础，是半导体器件研究的必要手段。其中的lC 以动态随
机存储器(ORAM)为代表，具有肉眼无法看见的记忆功能结构，而半导体器件以小尺寸器件为主。为了制备大规模集成电路(VL引) 、超大规模集成电路(ULSI)和量子器件，微细加工技术正由微米、亚微米、亚半微米一直向纳米级和量子化方向发展。除了lC 技术外，液晶显示器(LCO)技术、微机械技术和光电子技术的发展同样离不开微细加工技术水平的提高。人们越来越感到以微细加工技术为支柱的微电子技术正在成为一个国家综合国力的重要体现，成为国际竞争的焦点。因此许多发达国家目前都加大了在微细加工技术研究方面的投资强度，以期取得微细加工技术领域的领先地位。
微细加工技术包括曝光技术(即光刻技术) 、刻蚀技术、浅结掺杂技术、超薄膜形成技术等。其
中的曝光技术是微细加工技术的核心。
2.1国外微细加工技术在Ic 方面的成就
国外微细加工技术在IC 工业方面取得了很大的成就。表1是ORAM 发展所要求达到的光刻技
术水平和近年来ORAM 的发展趋势。需要特别提到的是，1991年，日本日立公司研制成功64MORAM ，其加工线宽为0.3微米，芯片面积为9.74X20.28平方毫米，集成度为1.21火1护个元器件;1992年，日本富士通公司推出256MORAM ，加工线宽为0.2微米，芯片面积为16火25平方毫米，集成度为5.6x1了个元器件。由表5不难看到，国外在微细加工技术研究方面取得的进展是很快的，以致于每隔几年就能推出一代产品。以下是生产256MORAM 所需达到的微细加工技术水平:光刻0.25微米(套刻精度士0.08微米，线宽控制0.04微米) ，无机且能真空处理的全干刻蚀剂技术，0.1微米以下浅结技术，低温工艺仁平坦化，全干法加工、刻蚀、清洗，CVO 铝和铜金属化，全自动化。
表5
2.2国外微细加工技术在半导体器件研究方面的成就
国外微细加工技术在半导体器件研究方面也取得了很大的成就。1993年，日本东芝公司
的研究开发中心研制成功门长度仅为0.04微米的n 沟道MOSFE 丁，并且可在室温下工作。德
仪(TI)公司在工993年也研制成功晶体管特征尺寸为0.02微米的集成电路，在该特征尺寸下，
电子已经停止了粒子活动，开始转化为类似波的活动。目煎国外研制的日EM 下器件的最小栅
长仅为25纳米。另外，国外也利用高水平的微细加工技术制作出了与电子相干长度相当的纳
米结构(包括量子线、量子点阵、量子点接触等) ，并对其物理过程进行了广泛的研究，提出了
电子波器件的可能性。美国《物理评论》杂志指出，以量子效应为基础的电子波器件有可能成
为ULsl 技术的基础，并将导致未来电子学发展的一场新革命。
国外在lC 工业和半导体器件研究方面所取得的成就无一不得益于微细加工技术的发展。
可以说，国外的微细加工技术正在朝着物理加工极限发展。
3. 光刻技术的发展
光刻技术是微细加工技术的核心。考核光刻技术的质量指标主要有分辨率、焦深、生产效
率等。对于未来可能应用于IC 工业的光刻技术，目前争论较多的是光学光刻和X 射线光刻。
根据瑞利公式，投影光学系统的分辨率R-kl 入/NO，其中入为曝光波长，NO 为镜头的数
值孔径，k ，为条件系数。不难看出，提高光刻分辨率的途径有三:一是增大N 。，二是缩小入，
三是提高k; 。80年代中期，人们曾把增大闪。作为提高分辨率的主要途径，但为了满足芯片
面积日益增大的要求和提高生产效率，必须在增大NO 的同时又加大视场面积和降低畸变，这
就使光学设计越来越难。于是人们开始转向缩小曝光的波长，但是根据焦深公式:00「一kZ 入
/N02，增大NO 和缩小入又不可避免地导致焦深的急剧减小。这似乎表明，光学光刻快要走到
了尽头。
然而，马克·赖文森于1982年提出了移相曝光技术，也就是通过改变辐射光相位的方法
使曝光图形的分辨率和焦深得以提高。它包括移相掩模曝光技术、片子移相曝光技术、改进照
明光源的移相照明技术等。光学光刻有了一种“柳暗花明又一村”的感觉。目前tC 工业生产
中的16MORAM 采用的是i 线以一365纳米) 紫外曝光，旧M 和日立公司目前正在考虑采用i
线结合移相曝光技术或者激光曝光技术(入=248纳米) 来生产64MDRAM ，1992年日立公司推
出的256MORAM 所采用的光刻技术也是光学曝光技术。最近，日本科学家宣称，采用移相曝
光技术可以使加工线宽达到0.15微米。但是必须看到，所谓的移相曝光技术其实已经超出了
普通光学曝光的范畴，其掩模的制作难度很大，制作成本也很高。而且，要生产IGORAM(特
征尺寸0.18微米) 及IG 以后的ORAM 时，光学光刻很难有所作为。这时，人们认为X 射线光
刻会显示出其巨大的优越性。
X 射线光刻最初是旧M 公司的史密斯(日.1.Smith) 于1972年提出的，后来许多国家都投人
巨资进行研究。毫无疑问，同步辐射X 线光源是最好的X 射线光源，它具有光强强度高(达到
100mw/cmZ以上，比普通的X 光管高两个量级) 、准直性好、光强均匀等优点，所以目前研究
最多的是同步辐射X 线光刻。同步辐射X 线光刻具有分辨率高(最近法国微结构国家实验室
CNRS 已用同步辐射x 线光刻技术曝出线宽为5o 纳米，间隔为100纳米的周期性重复图形) 、
工艺宽容度大、生产效率高、单片芯片的生产成本低(相对于光学光刻) 等优点。它包括同步辐
射X 线光源、掩模、光刻胶、对准装置四大部分。其中的掩模制作是同步辐射X 线光刻的关
键，目前各国都普遍采用电子束光刻的办法制作母掩模的图形，然后用X 线曝光的方法拷贝
母掩模，可以大大地降低掩模的制作成本。
X 射线光刻自从问世以来进展一直比较缓慢(相对于光学光刻而言) ，但是1988年以后国外
关于这方面的报道陡然增多，表明X 射线光刻技术已取得较大的突破。以下是近几年来国外
采用X 射线光刻技术在储存器研制方面取得的进展:199。年，IMDRAM(特征尺寸1微米) 和
64KSRAM 研制成功;1992年5月，256KSRAM(特征尺寸0.5微米) 研制成功;1992年9月，
siZKSRAM(特征尺寸0.35微米) 研制成功;1993年2月，512KSRAM(特征尺寸0.25微米) 研制
成功。另外，同步辐射x 射线光刻应用于微机械制造(即LIGA 技术) 、量子线的制作等方面的
研究工作近年来也取得了较大的进展。同步辐射X 射线光刻应用于IC 工业的最大障碍是同步
辐射装置的成本很高和掩模制作技术的困难。同步辐射X 射线光刻研究人员目前正在建造小
型专用光刻储存环和争取掩模制作技术的突破。但是，关于同步辐射X 线光刻技术是否能最
终应用于lC 工业生产的问题，迄今仍争论不休。不过，目前普遍认为，2000年以前IC 工业
生产采用的光刻技术仍然是光学光刻技术，只有当ORAM 发展到IG 以上时，x 射线光刻技术
才会逐步显示出其生命力。但是，毫无疑问，放弃对X 射线光刻技术的研究是一种短浅、愚
蠢的行为(X射线光刻中的许多技术，如掩模检测与修复技术、对准技术、高质量的电子束技
术等，均可直接应用于光学光刻) 。正因为如此，国外许多大公司和研究单位，如美国的旧M
公司、摩托罗拉公司、贝尔实验室、电报电话公司，日本的N 一，尸卜otonfaetor 丫，法国的
CNRS 等都正在进行这方面的研究工作，以期能在将来的光刻技术中取得领先地位。可以预言，
X 射线光刻技术和光学光刻技术的竞争不仅是技术上的竞争，也是经济力量上的竞争。
4. 我国的微细加工技术水平
我国自从1985年研制出第一块IC 芯片以来，微细加工技术取得了较大的进步。在ORAM
研制方面，1986年研制成功64KDRAM ，1990年研制出iM 汉字ROM ，其加工线宽为1.5微
米，集成度为1.06Xl 护个元器件。1986年我国开始批量生产5微米技术产品，1994年开始批
量生产3微米技术产品。“八五”科技攻关项目安排了0.8微米技术，“攀登”计划安排了0.5
微米基础技术研究。预计这些安排将会使我国在未来的IC 工业竞争中取得一些主动权。但是
必须清楚地看到，我国的微细加工水平与国外确实存在着较大的差距。在同步辐射X 线光刻
研究方面，我国已建立了BSRF 和NSRL 两个同步辐射X 射线光刻站。1990年6月，成功地
进行了首次同步辐射X 射线光刻实验。1993年11月，同步辐射深光刻技术(即UGA 技术) 取
得了较大进展。
4.1对微细加工的认识
鉴于微细加工技术是IC 工业发展的关键，微细加工技术的突破将会带来一场新的技术革
命。我们认为:
1. 必须提高对微细加工技术研究重要性的认识，制订好提高我国微细加工技术水平的战略
规划，对有全局作用的微细加工关键技术要有重点突破。
2. 加快提高我国微细加工设备的研制水平。一代设备推出一代技术，一代技术推出一代产
品，微细加工设备已成为制约微细加工技术发展水平的重要因素。因此，研制出高精度、高度
自动化的微细加工设备已成为摆在我们面前的紧要任务。
3. 加强基础技术研究。几十年来我们在半导体器件研制和IC 工业发展中一直处于较为被
动的局面，一个主要的原因就是对于带有基础性的、全局性的基础技术研究缺乏足够的重视。
对于电子束光刻技术、同步辐射X 线光刻技术、反应离子刻蚀技术、电子束掺杂技术以及小
尺寸器件的制作技术等都重视不够。
4. 统盘全局，克服现在在微细加工技术研究方面技术力量比较分散的缺点，象抓系统工程
那样抓微细加工技术研究，利用各研究单位的技术优势，联合攻关。
5. 加快微细加工技术人才的培养。技术竞争的结果最终必然是人才的竞争，因此必须注重
对微细加工技术研究人才的培养。
4.1.2微细加工技术的原理和应用研究
20 世纪80 年代以来, 微机械、微机电系统(MEMS ) 这一门新兴交叉学科开始兴起, 微细加工技术
作为获得微机械、微机电系统的必要手段得到了快速的发展。微细加工技术起源于平面硅工艺, 但随着半导体器件、集成电路、微型机械等技术的发展与需求, 微细加工技术已经成为一门多学科交叉的制造系统工程和综合高新技术, 广泛应用于医疗、生物工程、信息、航空航天、半导体工业、军事、汽车等领域, 给国民经济、人民生活和国防、军事等带来了深远的影响, 被列为21 世纪关键的技术之一。微细加工技术是由瑞士公司发明的一种新型加工工艺, 在2004 年法国巴黎举办的国际表面处理展览会( SITS ) 和2004 年在法国里昂举办的ALLIANCE 展览会上荣获2 项发明奖。微细加工工艺和设备拥有国际专利保护。
4.1.3 微细加工的技术原理与分类
微细加工技术结合了超精增亮和超精抛光两项革新技术, 能够有选择性地保留表面的微观结构, 以提高表面的
摩擦和滑动性能( 表面技术) , 以机械化和自动化取代传统的手工抛光, 提高表面的美学功能。这种微细加工技术应用于切削刀具、冲压和锻造工具, 航空、汽车、医疗器械、塑料注射模具等机械零件的表面处理, 能够极大地改善零件表面的性能。
微细加工技术采用全自动方式对金属零件表面进行超精加工, 通过一种机械化学作用来清除金属零件表面上
1～40μm 的材料, 实现被加工表面粗糙度达到或者好于ISO 标准的N1 级的表面质量。微细加工技术主要应用于超精抛光和超精增亮这两个领域。超精抛光使传统的手工抛光工艺自动化; 而超精增亮则生成新的表面拓扑结构。微细加工技术的一个突出优点是能够赋予零件表面新的微观结构。这些微观结构能提高零件表面对特定应用功能的适应性。如减小摩擦和机械差异、提高抗磨损性能、改善涂镀前后表面的沉积性能等。总的说来, 超精增亮可去除次级微观粗糙表面, 次级粗糙表面的厚度在0～20μm 之间, 位于零件表面初级微观粗糙面的峰尖之间。而超精抛光则部分或整体去除初级微观粗糙表面, 其值在10～40μm 之间, 当然这取决于零件材料表面的初始状态。微细加工与常规尺寸加工的激励特点区别主要体现在:
（1）加工精度的表示方法不同
一般尺度加工精度常用相对精度表示, 微细加工精度用尺寸的绝对值来表示, 并引入了加工单位的概念。
（2）加工机理存在很大的差异
由于微细加工中加工单位的极小化而产生了微动力学、微流体力学、微热力学等方面的微观机理, 常规的加工
方法及理论已不适用。
（3） 加工特征明显不同
在机电产品中, 一般常规加工都是以尺寸、形状、位置精度为特征, 而微细加工多以分离或结核原子、分子为
特征。
目前, 国际上微细加工技术的研究与发展, 主要形成了以美国为代表的硅基MEMS 技术, 以德国为代表的
LICA 技术和以日本为代表的传统加工方法的微细化等主要流派, 他们的研究与应用情况代表了国际微细加工的水平和发展方向。
由于微机械和微细加工零件尺寸或加工尺度的微小化, 许多宏观状态下的物理量和机械量在加工过程中都将发
生很大的变化, 并在微观状态下呈现出特有的规律, 因而涉及到了与常规理论不同的微机械学、微电子学、微光学和分子装配技术等多种理论学说。在各种微观理论学说的基础上, 发展起了各种各样的现代技术。依据微细加工中加工机理的不同, 可以将微细加工技术分为以下四类:
( 1) 分离加工—将材料的某一部分分离出去的加工方式, 如切削、分解、刻蚀、蒸发、溅射、破碎等。
( 2) 结合加工—同种和不同种材料的附加或相互结合的加工方式, 如蒸馏、沉淀、生长、渗入、黏结等。
( 3) 变形加工—使材料形状发生改变的加工方式, 如塑性变形加工、流体变形加工等。
( 4) 材料处理或改性。
5. 微细加工技术的应用分析
微细加工技术迄今能够加工的材料有退火及淬火钢、铜及铜合金、铸铁、镍合金( 镍基合金) 、钛金
属、表面硬涂层处理前后的预处理( PVD 、CVD 、电镀) 。微细加工技术是一种有选择性地精修被加工对象表面微观粗糙度和拓扑结构的创新性微观加工工艺。这种机械化学加工工艺是一种全自动化的加工工艺, 适用于汽车制造、电子、化工、冶金、机械制造、航空制造等行业, 尤其是注塑模具、刀具和机床工具、高精密零件、光学器件, 以及硬涂层处理前后的表面预处理加工。
微细加工技术通过改变材料表面的微细结构, 能够减小摩擦、提高抗磨损性能, 显著地提高材料的表面性能, 在
刀具行业具有广阔的应用前景。如采用超精增亮技术, 彻底消除次级微观粗糙表面, 减小摩擦, 能够提高刀具的排屑性能, 降低切削力; 而保持初级粗糙表面, 有利于保护润滑油膜, 提高刀具的排屑性能, 减少发热; 如果在涂层处理前优化预处理涂层基面, 或者在涂层之后彻底清除涂层引起粗糙表面, 则能够提高PVD 涂层的附着性能, 延长刀具的使用寿命, 消除刀具表面的积屑瘤问题。这种创新的加工工艺近几年来在诸多工业领域的实际应用清楚地表明,
微细加工技术能够大幅降低超精加工的成本; 极大地缩短生产周期; 方便地提高表面的质量, 并且采用这种加工工艺加工出来的表面具有无以伦比的一致性和再现性。微机械技术综合应用了当今世界科学技术的尖端成果, 目前微细加工技术已经在特种新型器件、电子零件和电子装置、机械零件和装置、生物工程、表面分析、材料等诸多领域发挥着越来越重要的作用。
6. 在微电子器件制造中的应用
微细加工技术最典型的应用是大规模和超大规模集成电路的加工制造, 在其制造过程中, 从制备晶片和掩膜开
始, 经历多次氧化、光刻、刻蚀、外延、注入等复杂工序, 到划片、引线焊接、封装、检测等一系列工作直到最后得到成品, 每道工序到要采用微细加工技术, 微细加工技术在这里得到了全面的应用。在集成电路制造过程中, 微细加工技术主要有横向微细加工技术和纵向微细加工技术两种方式。
6.1在微机械和微机电系统方面的应用
从1962 年第一个硅微型压力传感器问世到现在, 采用微细加工技术研制加工的各种微型机械机电产品大量出
现在各个科技领域。利用微细加工技术, 可以将机载产品的硬件比例的幅度减小, 以满足其体积小、重量轻的空间特殊要求。目前, 已有大量的微型机械或卫星系统被研究出来, 如用于航空航天、汽车工业、医疗器械、军事武器、机器人等领域的各种微型压力传感器、加速度传感器、温度传感器、智能传感器等。
虽然, 微机械和微细加工技术得到了快速发展, 但是由于各种微观理论学说尚处在探索研究阶段, 完整的微观尺度下的理论体系尚未完全建立, 微机械与微细加工技术的研究主要还是来自经验和反复研究试探, 这对微细加工技术的进一步发展造成了较大影响。未来微机械和微细加工技术的研究仍然要立足于微观理论基础的研究和微细加工技术的探讨开发上, 推动微细加工技术向更高的层次发展。
7. 微机电系统的微细加工技术
以集成电路为代表的、建立在硅平面工艺基础上的微电子技术的巨大成功引发了一场微小型化
科技革命。如今起源于20世纪80年代末期，建立在微电子技术基础上，把传感器、处理器和驱动器等集成在一个芯片上的微机电系统(MEMS：micro electro mechanical systems)被视为微电子革命的继续而日益受到各等发达国家政府和科学家的高度重视，已经成为当今国际高技术竞争的热点。
随着微机电系统的发展，微型制造技术作为实现MEMS 技术的关键也开始引起世界发达国家的材
料科学工作者和工业界的极大关注。要想加工出精密的微机电器件，必须要具备相应微细加工技术。微细加工技术是MEMS 技术的核心技术，是MEMS 技术的关键和基础，也是MEMS 技术研究中最活跃的领域，离开了先进、可靠的微细加工技术，MEMS 的研发将受到极大的制约，更不能形成生产能力，MEMS 器件和系统的研究也只能是空中楼阁。在MEMS 的制作中， 由于涉及传感和运动执行部件，器件的形状比数字集成电路复杂得多，而且涉及到带有曲面、斜面及微尖形阵列等的三维微制作技术。现在微电子技术和集成电路工艺已经非常成熟，因此能产生含有曲面、斜坡、高密度微尖阵列器件和高深宽比等微结构的三维加工工艺必将成为下一步MEMS 领域的竞争热点。
迄今为止，开发成功的微机械加工技术主要有硅微机械加工技术(体硅加工工艺和表面硅加工
工艺) 、LIGA 技术、微立体光刻(MSL：micro stereolithography) 技术／IH(integrated harden polymerstereo lithography— —集成固化聚合物立体光刻) 工艺、EFAB (electrochemical
fabrication) 技术、CELT (confined etchant layer technique)技术、3D 电化学微加工
(electrochemical 3D microma —chining) 技术等。LIGA 技术和IH 技术已在文献3中进行了详细地描述，本文仅就其余的微细加工技术进行阐述。
7.1硅微机械加工
硅微机械加工技术是微结构制作中一种常用技术，它来源于集成电路加工技术，是由集成电路
的二维平面加工工艺发展而成的微三维加工技术，其主要内容有：体硅微机械加工技术，主要包括硅的湿法和干法腐蚀；表面硅微机械加工技术，主要包括结构层和牺牲层的制备与腐蚀；键合技术，主要包括静电键合和热键合。这些技术在实际应用过程中还要借助于集成电路加工工艺，如光刻、
扩散、离子注入、外延和淀积等技术。体硅微机械加工技术通常利用硅腐蚀的各向异性来制造各种几何结构，再通过键合技术将两部分硅的微结构结合在一起形成机电装置。表面微加工技术则是在基片表面加工出可动机电微结构，其特点是可以充分利用集成电路工艺中大量成熟的工艺技术；缺点是加工出的微结构深度比较小。
7.2 体硅微／加工技术
体硅微加工技术是以单晶硅材料为加工对象，采用腐蚀、镀膜、键合等工艺，在硅体上有选择
性地去除一部分材料，从而获得所需的微结构。当腐蚀剂为液体时所进行的腐蚀称为湿法腐蚀，腐蚀剂为气体时则称为干法腐蚀。若腐蚀是在硅片的所有方向均匀腐蚀时，称为各向同性腐蚀；如果腐蚀速度与单晶硅的晶向有密切关系，即不同晶向的腐蚀速度相差很大时，则称为各向异性腐蚀。 湿法腐蚀工艺是指采用不同的腐蚀溶液，对硅片进行各向同性腐蚀、各向异性腐蚀或自停止腐蚀，加工深度可达几百微米。各向同性腐蚀剂由氧化溶液组成，常用的是HF —HNO 腐蚀剂。在这里硝酸起氧化作用，氢氟酸起氧化溶剂作用。其简单的腐蚀机理是：首先，硝酸同硅发生氧化反应生成SiO ，然后由HF 将SiO 溶解，其反应方程式为
Si+HNO3+HF—— H2siF6+HNO2+H2O+H2 (1)
目前所有已知的用于进行硅各向异性腐蚀的溶剂都是碱性的，主要分为两类。一类是有机腐蚀
剂EPW (乙二胺、邻苯二酸和水) ；另一类是碱性腐蚀剂如KOH 。这两类腐蚀剂具有非常类似的腐蚀现象，其中最常用的是KOH 腐蚀液，它在(100)和(111)硅晶面方向上的腐蚀速率差别最大，高达400：1。KOH 腐蚀剂常用KOH (氢氧化钾) 、H20(水) 和(CH ) CHOH (异丙醇，IPA 缩写) 的混合液。其腐蚀的反应式为,
Si+2OH+2H20—— SiO2(OH)2-2+2H2 (2)
Si(OH) +6(CH3)2CHOH一[Si(OC3H )6]t+6H20(3)
由上述反应方程可知，在进行腐蚀时，首先KOH 将硅氧化成含水的硅化合物，然后与异丙醇反应，
形成可溶解的硅络合物，这种络合物不断离开硅的表面，最终形成所需要的微结构。
干法腐蚀是靠腐蚀剂的气态分子与被腐蚀的样品表面接触来实现腐蚀功能的。干法腐蚀的种类
很多，主要有离子腐蚀(IE)、离子束腐蚀(IBE)、等离子体腐蚀(PE)、反应离子腐蚀(RIE)和反应离子束腐蚀(RIBE)等。其中等离子体刻蚀或反应离子刻蚀是目前主要采用的干法刻蚀工艺。前者主要是气体放电产生的游离基对基体的化学刻蚀过程，一般为各向同性，选择性好；后者对基体的刻蚀既有反应中性游离基的作用，又有反应离子的作用，所以既有化学刻蚀过程，又有物理刻蚀过程。控制工艺参数可进行各向同性刻蚀，或进行各向异性刻蚀，选择性也较好。这些工艺的特点是刻蚀速率较高，获得的微结构侧壁陡直，深宽比较大(约几十) 。图1 是用干法刻蚀工艺加工的硅微结构放大照片，最窄的线宽3 m，高度100 m，深宽比大于30。
体硅微加工技术与表面硅微加工技术相比，可以制作较大深宽比的三维微结构，但不能直接制
作可活动构件，需要通过静电键合或热键合工艺来获得含活动件的微结构。体硅微加工技术和表面硅微加工技术均是由微电子加工技术发展而来的，其工艺已相当成熟，与微电子工艺的兼容性较好，适合于批量制作含有集成电路的微结构。国内外利用这些技术已成功地研制了多种硅微传感器和微执行器，如微加速度计、微压力传感器、微电机、微泵等。 表面硅微加工工艺。
表面硅微加工技术是以硅片为基体，利用微电子加工技术中的氧化、淀积、光刻、腐蚀等工艺，在硅片表面上形成多层薄膜图形，然后把下面的牺牲层腐蚀掉，以保留上面的微结构图形图2给出
了该加工技术的基本工艺过程。薄膜层材料常用多晶硅、氧化硅、氮化硅、玻璃和金属等，为微结构器件提供敏感元件、电接触线、结构层、掩模和牺牲层。牺牲层(常用 )做在淀积和光刻形成图形的结构层下面，可用湿法腐蚀除去，使结构层与基底隔开。表面硅微加工技术是在硅片上用连续淀积结构层、牺牲层和光刻的工艺来制作微机械结构的，硅片本身并不被刻蚀，因而是一种平面加工或准三维加工工艺，适用于制作厚度几至十几微米和深宽比为几至十几的微机械结构。使用该技术可以制作可活动构件如转子、齿轮等，还可以制造多种谐振式、电容式、应变式传感器和静电式、电磁式执行器(如微电机、谐振器) 等。
7.3固相键合技术
固相键合技术是指不用液态粘连剂而将两块固体材料键合在一起，而且键合过程中材料始终处于固相状态的一种加工方法，主要包括静电键合和直接键合两种。静电键合(又称阳极键合) 主要用于硅一玻璃键合，可以使硅与玻璃两者表面之间的距离达到分子级。直接键合技术主要用于硅一硅键合，它可以将两种高度抛光的硅晶片在没有外加电场的情况下进行永久性键合 。静电键合技术是1969年Wallis 和Pomeranty 首次提出的,Brooks 和于Donovan 于1972年首次用溅射沉积方法将硼硅玻璃沉积在被键合的一硅基片表面，然后和另一硅基片进行键合。静电键合的原理 为：被键合的硅片接阳极，玻璃不与硅片接触的一面接阴极，阴极与阳极之间加 的电压，以 ℃以上的温度对玻璃和硅片加热。在这种温度下由于玻璃离子的电导率增大，使得玻璃中大量带有正电荷的钠离子产生漂移而离开玻璃一硅界面，迁移到玻璃外表面的阴极进行中和。由于阴离子较大，它的迁移速度慢，迁移率很小，因此作为正离子迁移的结果，在玻璃中，特别是在玻璃和硅片的交界面出现具有(负) 阴离子(SiO2) 的区域，硅片带正电荷，因而硅片与玻璃间存在较强的静电吸引力，使紧密接触的界面在高温下发生化学反应，通过氧一硅化学价键合，将硅及玻璃基片牢固地键合在一起。静电键合的键合强度可达数兆帕。
一
7.4硅膜工艺
硅膜工艺是1998由李敬锋和日本东北大学研究组共同开发的一种新型微制造技术 ，它融合了硅晶片的微细加工技术和材料成型技术，是种利用微加工的硅晶片作为微型模具来制备三维立体微结构的一种新型工艺。其工作原理为先用甩胶机在硅晶片的表面涂一层感光胶后，将它置于掩模版下进行曝光，通过显影处理后就会在感光胶层形成事先设计好的图样；将感光处理后的硅晶片进行反应性离子刻蚀(RIE)，无感光胶保护的部位就会被刻蚀成微孔，这样磨具就做好了；然后在模具上浇注液体材料，利用烧结工艺使其固化后，再用一种特殊的气体(如XeF 等) 将硅膜选择性的腐蚀掉，即得到所需的三维微结构? 由于该工艺使用了离子刻蚀工艺，其深宽比类似于陈迪教授等开发的DEM (deepetching，elec —tro —forming ，microreplication) 工艺，精度约为亚微米级。
在上述微加工工艺中，它们都能够产生不同深宽比、不同精度的真三维结构。但在各自的加工过程中由于都需要掩模，因而其精确度和灵活性受到了限制。它们很难根据图形的变化随时进行相应变动，而必需更换不同的掩模版，加工工艺不够灵活。另外，这些工艺中所用的掩模版主要是由电子束光刻生成的或由其转换而成的， 由于转换过程中存在误差，电子束掩模版的精度不能得到很好的重现，其光刻精度低于电子束光刻技术，一般在亚微米级。因此这些微三维加工术不能很好地适应将来微机电系统的高速发展，需要寻求更好的加工工艺，以便生产出精度更高、更复杂的三维微结构。电子束光刻技术是目前公认的最好的高分辨率图形制作技术， 目前各种亚微米级的生产模板全是用电子束光刻抗蚀剂工艺来完成的。电子束光刻具有束斑小、焦深长、易于控制等特点，在实验室条件下， 已能将电子束聚焦成尺寸小于2 nm的束斑，可以实现纳米级曝光。如果能够找到一种方法，将电子束光刻、IH 工艺和LIGA 工艺的优势结合起来，即使用具有直写功能、控制灵活、一
精度高等特点的电子束来代替IH 工艺中的激光束对液态低聚物进行辐射固化，通过层层叠加生成具有任意曲面和任意高深宽比的微结构，然后使用LIGA 技术的微电铸和注塑两后续工艺，完成微结构的批量生产，必能产生一种更加新颖的微加工工艺。
8. 微机械及其微细加工技术的现状和应用研究
8.1 微机械及其特点
20世纪8O 年代后期，国际高科技领域出现了一个值得重视的微机械技术(micromechanism)，随之出现了微机电系统(ech cal system)。微机械的问世引起了制造技术的一次革命。微加工技术在微机械的——
发展过程中占有主导地位，起着关键作用。MEMS 体积小、重量轻是利用微细加工技术和某些特殊功能材料，将机构及其致动器、控制器、传感器、电源等集成在一个微小体积范围内．发挥机械功能的机电一体化产品，是机、电、光、磁、化学、自动控制、传感技术与信息处理等多种技术的综合。功能比较齐全的微机械就是一个微机电系统，其代表装置就是微机器人。当然，它的实现必须有相应的基础理论及制造技术的支撑按照结构尺寸大小，可将微机械分为：1～100mm 的微小机械(minimechnism)，10tnn 一1mm 的微机械(micmmechandsm)，10tml 一10tnn 的超微机械(submicro~ mechanism)3类。外形微小，操作尺度极小成为微机械的基本特征。
微机械综合应用当今科学技术的尖端成果，是影响产业竞争力的基础科技之一。它具有传统机械所未有的优异特性，有着广泛的应用前景和可观的经济效益。微机械在机械工程、医药卫生、航天航空、国防尖端、信息、环境工程以至民生等方面都具有极其重要而广阔的发展前景。据国外预测，到20O2年，与微机械相关产品的产值将达到4O0亿美元。就应用而言，美国和日本优先用于航天航空、医疗、生物、民用电子产品等。欧洲主要用于制造技术、测试技术和过程控制技术等方面。从功能上看，微机械具有一般机械远不能及的优势：
(1)首先表现在活动空间、操作对象和工作环境上，由于微机械的微小特性，可以进入一般机械无法进入的区间；
(2)其次与一般机械相比，微机械所表现的智能化程度更高、实现的功能更趋于多样化。
8.2微机械的研究现状
8.2.1研究内容
微机械的研究可分为理论基础、技术基础和应用基础研究3部分。理论基础涉及微电子学、微结构学、微光学、微动力学、微热力学、微摩擦学、微流体学、材料学等。技术基础体现在微机械
的整个制作过程中，包括微机械选材、设计、微细加工技术、装配与封装技术、检测技术、控制与集成技术等。
8.2.2研究进展
在国际上，美、日、德在微机械的基础研究与产品开发方面占领先地位。加世纪60年代，美国就从事微机械研究，并已成功地利用硅片腐蚀方法制造了应用于医学的脑电极阵列的探针，接着又在微传感器等方面取得成功。至今，在静电电机、微机构的研究方面已处于领先地位。日本虽起步晚于美国，但由于政府、学术界和产业界的高度重视，在微细工具与徼细加工、微流量泵、微传感器、徼继电器等方面的研究获得了较快的进展。德国也已研制成功振动和加速度传感器、流量与温度传感器等各种微型构件。
国内由于基础、资金等问题，起步较晚，在研究规模、技术水平方面与先进国家相比尚有一定的差距。但也在积极开展某些研究工作。如清华大学研制成功了多晶硅粱、微流泵与阀、徼弹簧等微器件；哈尔滨工业大学研制出了电致伸缩陶瓷驱动的两自由度微机器人，位移范围为10nun ×10mm ；另外，上海交大、西北工大、上海光机所等些单位也在直流电磁电机的研制、柔性微致动器、多晶硅齿轮、微静电电机、一
微机械测试技术等方面做了不少研究工作。
8.2.3今后应用研究方向
美国国会已把微机械和纳米技术(NT)列为2l 世纪重点发展学科之一。日本从1991年起，也把微机械研究作为国家重大科研项目。英国政府在财政困难的情况下极力支持微机械的研究。我国的微致动器、微
机器人的开发已列入国家863计划。微机械与纳米技术将是21世纪的科技与产业的制高点，各国都想在此占有一席之地。这无疑为这方面的研究与发展提供了良好的国内与国际环境。
今后开展有关微机械与微细加工技术的研究，应将重点有针对性地放在具有较大应用价值的一些关键问题上：
(1)微机械构件的激光直写微细加工关键技术研究。采用准分子激光等比较先进的设备或技术手段，结合数控技术直接在材料上刻蚀出微细结构或图形，这和传统的湿度刻蚀比较，工序会减小到原来的l ／7，生产成本降低到1／10，较大的加工柔性使其更适合于该领域多品种、小批量、方便快捷的生产特色
(2)微机构的三维立体加工技术研究。基于激光的微细立体光刻技术是一种新型的微细加工方法。它将激光技术、CAD ／CAM 技术、材料科学及微细加工技术有机地结合在一起，可以直接加工出几乎任意复杂的微型立体结构。
(3)微机械及其构件的检测技术是一个急需解决的问题。其包括微结构三维尺寸、表面形貌等几何量的测量，弹性模数及残余应力等物理量的检测，以及整体工作性能的检测等等。
(4)进一步提高微机械的集成与封装技术，甚至可以考虑微机械的自装配技术。
微细加工原指加工尺度约在微米级范围的加工方法 在微机械研究领域中，微细加工是微米级精细加工、亚微米级微细加工、纳米级微细加工的通称。广义上的微细加工，其方式十分丰富，几乎涉及现代特种加工、高能束JJ~,．y-等方式。而微机械制造过程又往往是多种加工方式的组合。
9. 微细加工技术
从基本加工类型看，微细加工可大致分四类：分离加工；接合加工；变形；材料处理或改性和热
处理或表面改性等。微细加工技术曾广泛用于大规模集成电路的加工制作，正是借助于微细加工技术才使得众多的微电子器件及相关技术和产业蓬勃兴起。目前微细加工技术已逐渐被赋予更广泛的内容和更高的要求。微细加工技术已在特种新型器件、电子零件和电子装置、机械零件和装置、表面分析、材料改性等方面发挥日益重要的作用，特别是微机械研究和制作方面，微细加工技术已成为必不可少的基本环节。
10. 微细加工技术发展前景与展望
自1958年美国首先研制成功集成电路起，1963年MoS 场效应晶体管研制成功，1964年出现PMOS 集成电路，1971年以来相继推出了4K 、16K 、256K 、IM 、4M 、16M 、64M 、256M 和lG 的DRAM(动态存贮器) ，并形成规模生产。从集成电路制作技术的发展历史可以看出，到目前为止，国际上集成电路芯片的发展基本上还是遵循摩尔定律和等比例缩小规律，即每隔3年集成度增加4倍，因硅电子器件随着其特征尺寸的缩小，工作速度将会增加，功耗将会降低，其特征尺寸随之相应缩小30 ，同时引发了系列微细加工技术“极一
限”问题，见表1。
10.1 延伸“极限" 束缚的技术
微电子技术的发展与进步主要是靠工艺技术的不断改进，使得器件特征尺寸的“极限”获得一次次突破，从而使集成度不断提高，功耗降低，器件性能得到改善，然而特征尺寸的不断缩小，使得集成电路的微细加工技术不断受到物理学“极限”的困扰，同时对工艺中所采用的材料、介质以及超微细加工技术、各种掺杂技术、金属化及多层金属互连技术水平的要求也越来越高。
10.1.1微细加工的基本流程
以硅为衬底的微细加工技术实际就是实现图形转移整个过程中的处理技术，一般的微细加工过程包括基片预处理、光刻、掺杂、腐蚀、互连线制作等基本流程。将预处理后的基片通过多次光刻技术、腐蚀技术，把电路图形永久地保留在硅片上，同时采用一定的掺杂技术，在硅片上形成满足IC 设计要求的半导体结构。
10.1.2 超微细光刻技术
在微电子制造技术中，最为关键的是用于电路版图图形生成和复制的光刻技术。目前光刻技术变革将对整个微电子制造技术的发展产生重大影响。现今光学光刻在超大规模集成电路的生产中仍然占据着主导地位。当特征线条尺度从0．18um 迈向0．13um 时，首先在光刻工艺上遇到难题，在曝光过程中因曝光源经过光学上的衍射、干涉等能量损失，造成曝光线条分辨率下降，因而曝光源的选择及其重要。通过采用超短波长的近紫外光、深紫外光、极紫外光，以及X 一射线、离子束、电子束等曝光源光刻，已获得了高分辨率光刻线条。在深亚微米工艺研究中，利用极紫外线、电子束等作为曝光源，将成为今后的首选。由钼(Mo)硅(S ) 组成的多层结构膜对极紫外光有较高的反射系数，因此13nm 的极紫外线光反射式光刻系统可能成为深亚微米(0.1u m以下) 技术中的主流曝光工具。
由于超微细光刻在器件加工中的重要性，所以超微细光刻技术得到国际许多大公司的关注。电子束光刻，最早由Lucent 公司研制了投影光刻系统Scaped ，使用由低分子量氮化硅膜和高原子量的钨栅层共同组成的散射掩模版，当高能电子束照射在掩模版上时，经过低原子量氮化硅的电子束不发生散射，而经过高原子量钨栅的电子束发生散射，然后电子经过透镜聚焦到一个孔上，并只允许没发生散射的电子通过，再经过另一个透镜照在硅片上，重新出现由低原子量材料组成的图案，由于此孔挡住了散射的电子，所以在硅片上可以获得高反差的图象。由于它不吸收电子、图形不易变形，应用前景很好。
10.1.3互连线与低K 介质材料
在VLSI 加工工艺中，普遍采用铝互连，在进入ULSI 之后，采用铜互连(在0．25n0．18／~m技术中已使用) ，它具有较低的电阻率和抗电迁移、抗应力迁移等性能，但是采用铜材料的缺点是铜分子很容易向硅(Si)、二氧化硅(SiO：) 材料中扩散，导致器件性能降低或失效，因此必须寻找合适的阻挡材料。目前采用较多的阻挡材料有TiN 、WNx 、Tiw 等，这些技术的发展使得铜互连技术已经可以实现到九层。在铜互连技术中，必须使用低K 值的介质材料如多孔二氧化硅等，它可降低电容，并且多孔二氧化硅有随着气孔率升高，介电常数逐渐降低的特性。另外Polymide 为代表的有机聚合物也已经成为当前低K 值介质材料研究发展的方向。
10.1.4高K 栅绝缘介质
MOSFET 栅绝缘介质一般采用二氧化硅，而进入深亚微米后，可逐渐被SiNxOy 代替，它可解决p+离子在SiO 。中的扩散问题，同时有较高的介电常数。但SiNxOy 具有一定的不稳定性，优质SiO ：是很有发展前途的介质层。此外，栅极下绝缘氧化层的厚度随着器件尺寸的缩小也变得越来越薄，并且会产生量子效应——即遂穿效应，遂穿效应会引起器件严重漏电，造成器件功能降低。为了克服3nm 以下栅的隧穿效应，可以采用高介电常数介质材料。研究引入新型材料Ta O 、TiO ：、(Sr，Ba)TiO 等，保证绝缘介质层具有一定的物理厚度，由此减小栅电极与沟道间的直接隧穿电流，这也是目前共同研究的方向。 10.1.5等离子刻蚀
随着线宽的进一步缩小，尤其进入亚微米之后，如何减少刻蚀对线条的损伤，各向异性选择刻蚀等问题一直是技术难点。同时出现了接触孔刻蚀、浅槽隔离等新问题，DPS 非耦合高密度等离子体具有较好的均匀性、硅片损伤小，得到了较好的应用。随着尺寸的缩小，介质膜层数的增加，采用平坦化工艺是不容忽视的，0．5um 时采用IMD —CVD 三层淀积，达到平坦化目的，进入0．18um 以后，采用化学机械抛光(CMP)，用化学试剂和精细研磨的方法，达到硅片平整的目的。
10.1.6离子注入
进入0．1um 后，需要低能量(200ev)注入机进行浅源漏延伸区注入，及深源漏区注入，采用大倾角注入机解决短沟道效应，采用高能注入机解决阱及开启电压调整，今后随着SOl 材料使用的逐渐增多，
采用强束流(束流达50—100mA) 注入机进行注氧形成绝缘层。同时热退火工艺技术方式也有很大变化，采用高频加热或卤素灯等，实现快速退火升温，速率达250℃／秒。
10.1.6氧化后HDPCVD
进入0．18um 后，栅氧绝缘层小于5nm 称为超薄栅，进入0．1um 后，薄栅介质改用高介电常数介质，如：氮氧化硅等需快速升温设备，60℃／秒，8英寸线大量采用立式炉，国外正研制原子层生长的超薄栅淀积设备。进入深亚微米后，普通PECVD 已满足不了低K 介质、浅槽隔离介质及电容深槽介质的需要，只能采用高密度等离子体(HDP)CVD。
11. 结束语
从2001年起，0．13／~m 的生产线逐渐投入使用，预计0．05／~m技术在2012年可以实现，时钟频率为10GHz ，集成度可达10亿个元件。目前器件的最小尺寸已经缩小到深亚微米甚至0．1 m以下，随着器件特征尺寸的缩小，微小MOsFET 中的一些物理效应如漏感应势垒降低效应、互连线延时效应、短沟道效应、迁移率场相关效应、热载流子退化效应、二维量子化效应、SiO 。膜击穿效应等引起的电阻问题、电迁移等诸多问题将使得硅器件的性能难以得到改善。
据悉INTEL 公司的下一代产品将使用0．09um 的制造技术，这个数量级已经趋近于传统工艺所能达到的物理极限，为了突破硅器件的物理学“极限”，除了不断提高工艺技术水平外，正研究各种可能的新一代微电子器件，包括单电子晶体管、量子隧道器件、分子器件、厚膜器件和功能器件等。
当器件发展到0．1um 以下时，相关技术已发展到纳米技术研究范围，纳米技术的研究范围为0．1～ 100nm(0．0001～0.1um) ，如果用纳米技术的概念去观察研究硅技术的“极限”，就会出现新的方法来解决问题。21世纪，微电子技术仍将以尺寸不断缩小的硅基CMOS 工艺技术为主流，硅微电子技术主要发展方向如下：①继续缩小器件的特征尺寸；②系统集成芯片(sOC)是发展重点；③智能芯片。随着器件的缩小，将会带来一系列问题，如散热增大稳定
性降低、制造成本高，运行速度难以进一步提高等，但0．09um 的制造技术远不能满足人们的需要，纳米技术将为人们提供崭新的微细加工技术的发展空间。
参考文献：
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微细加工技术
1. 微细加工技术现状
1990年微细加工技术的生产水平是100μm 到0·8μm 。到1994年,16M DRAM 64M DRAM已
生产,254M DRAM 也将投入生产。16—64M DRAM 用0·3μm ~ 0·4μm 的微细加工技术。256MDRAM 用0·25μm 的加工技术。目前, 实验室已做出1000M DRAM的产品。也就是说,0·1μm~0·08m 的微细加工技术, 不久也将投入生产。当前微细加工技术的动向是:一方面将生产16—64M DRAM的设备, 进行改进, 以提高生产率, 另一方面是开发新工艺、新设备。微细加工技术的关键是曝光技术和干蚀技术。我们将以这两方面为重点, 介绍微细加工技术的现状和发展动态。1 16—64M DRAM生产技术的改进当前生产16M DRAM的设备, 一般都能生产64M DRAM。它们主要用缩小投影曝光装置, 典型的有NSR —2005i10c,Ex10B,NSR4425i 。其主要参数, 如表1所示。缩小投影曝光装置的特点上述三种装置, 都能生产14-64M DRAM器件, 其中NSR-4425i 能生产256M DRAM器件, 光刻水平达到0·25μm 。
表1 主要参数
这三种设备, 校正系统都经过改进, 稳定性大大提高。同时, 对干涉反射镜曲线, 进行补正。干涉光
路进行空调, 使精度大大提高。另外, 对放大倍率也进行补偿和修正。使误差控制在10 nm以下。
使用准分子激光器, 使曝光功率下降, 曝光成本下降。
NSR-4425i, 是一种成本较低而性能优良的设备, 由于它采用了混合和匹配平台, 能生产16M 、
64M 、256M DRAM器件。场尺寸达44 mm×44mm, 主流场为22 mm×44 mm,生产256M DRAM器件, 月产达2万只。
1.1印刷式曝光机
1.1.1概要
它是一种等倍率曝光机, 采用混合和匹配平台, 具有“印刷”功能, 故而又称它为超技术步进机。
其突出优点是生产性高而成本低。该类机中的优秀者是224i 型。它使用i 线作曝光光线, 大口径光学系统, 超高精度的平台, 曝光光的波长为355~375nm。每小时能生产200 mm片80枚。150 mm片105枚, 主要参数如表2所示。
表2 Model 2244i参数
1.1.2结构和特征
该装置的最大特征是采用高性能的1×HerShel-Wynne-Dyson 光学系数。它采用两个消色透镜两
个棱镜一个主透镜, 构成光学系统, 曝光场较大, 故而生产率较高。曝光时, 片上得到的能量较大, 故而曝光时间短, 由于它采用混合式和匹配式的平板印刷方法, 使生产线成本低而产量高。
1.2电子束直接扫描系统
电子束直接扫描系统, 也叫无掩膜曝光系统。以前就有这种系统, 但其产量低, 未能推广, 本文介绍
的HL-800D 电子束直接扫描系统可生产64MDRAM 器件, 并且产量也较高, 成本较低。
1.2.1电子束直接扫描系统的优点
电子束直接扫描系统的优点, 如表3所示, 从表3. 看出, 它有很多优点, 主要是成本低, 开发期短, 适应
性强特别适合科研单位和小批量生产用。
表3 电子束直接扫描系统的优点
若是每日生产250枚片以下, 用电子束直接扫描系统, 生产成本较低, 它比用掩膜曝光, 成本低
得多。
电子束直接扫描系统, 虽然其电子束偏转范围有限(3 mm~5 mm),但其扫描面积可以“拼”。这样,
扫描面积就不受限制。该设备, 也可生产256MDRAM 器件。1.3.2HL —800D 概况日立公司开发的HE —800D 系统, 其加工水平达0·2μm~0·3μm,1·50 mm,生产能力达10~20(枚/h),表4是它的主要参数表
表4 HL —800D 系列基本参数
一次成型扫描法, 是通过转写掩膜形成的, 如图1所示, 通过转写掩膜可一次形成较为复杂的图形
或使扫描线更精度。
图1 一次成型和可变成型扫描图
通过使用补偿法并运用转写掩膜, 或可以提高扫描速度, 或可以提高扫描线的精细程度, 但其代
价是失去了无掩膜的优点(有转写膜) 。用转写掩膜, 该装置可达到0·05μm 的直线尺寸, 精度可达到0·15μm, 甚至有人说, 这类设备将来可生产1GDRAM 器件。
1.3干蚀技术
在微细加工中, 尤其是达到0·25μm 水平的精细加工中, 干蚀技术就显得很重要, 现在微细加工
对干蚀的要求如下:
a) 片面积大, 均匀性要好;
b) 无机械损伤;
c) 有高的选择比;
d) 高的纵深比;
e) 离子控制性要好;
f) 处理速度快。
要达到上述六项要求, 用以前的腐蚀方法是不行的, 新开发的ECR*,能很好的满足上述要求。
ECR 的特点:等离子密度大, 电子动能大, 干蚀质量高, 速度快。搭载有ECR 的干蚀装置
APEX7000/PINADE8000具有极好的干蚀性能:
1) 对氧化膜的干蚀, 选择比达到50~100而且
尺寸误差极小。
2) 对铝(Al)加工:选择比达到3以上, 并能完全防止腐蚀。以上设备腐蚀的结果, 如图2所示。从
图2看出:这种装置的干蚀效果, 是极好的。
图2 APEX7000/PINADE8000机干蚀效果
TiN/Al-Si-Cu/TiN/Tiの的蚀刻实例(蚀刻速度:0·755nm/min,均一性±3·8%,选择比相对P ·R3·9)
电子束激励的等离子发生装置, 是另一种较好的干蚀装置。它是电子和电场作用, 来产生高密度
的等离子装置, 其特点是:
1) 电子能量分布, 加速均可控制;
2) 采用差动排气方式, 氧、氯等还原气体从侧面导入, 故而阴极寿命长。
3) 能产生高密度的等离子。
这种装置的原理图, 如图3所示。图中的反磁场线圈, 生产尖峰磁场。在片子附近, 产生磁场扩散
区。由等离子室射入的电子束, 沿磁力线迅速扩散, 形成均匀的等离子区(可形成200 mm以上的等离子注) 。等离子室中间的永磁体, 使电子分散, 多极磁场, 使电子和离子复合率降低。
图3 电子束激励等离子发生装置原理图
该装置的干蚀性能较好, 均匀性高, 腐蚀速度快。它对光刻胶的腐蚀, 选择比大于40。对氧化膜的
选择比大于150。对GaAs 的腐蚀速度快, 均匀性也好, 选择比高, 并有保角性。
另外, 最近还出现了多通道干蚀装置。这类装置是一种投资少、效益高的干蚀装置。这类装置,
也是干蚀装置发展的一个重要方面。
2. 微细加工技术发展研究
微细加工技术是集成电路(lC)工业的基础，是半导体器件研究的必要手段。其中的lC 以动态随
机存储器(ORAM)为代表，具有肉眼无法看见的记忆功能结构，而半导体器件以小尺寸器件为主。为了制备大规模集成电路(VL引) 、超大规模集成电路(ULSI)和量子器件，微细加工技术正由微米、亚微米、亚半微米一直向纳米级和量子化方向发展。除了lC 技术外，液晶显示器(LCO)技术、微机械技术和光电子技术的发展同样离不开微细加工技术水平的提高。人们越来越感到以微细加工技术为支柱的微电子技术正在成为一个国家综合国力的重要体现，成为国际竞争的焦点。因此许多发达国家目前都加大了在微细加工技术研究方面的投资强度，以期取得微细加工技术领域的领先地位。
微细加工技术包括曝光技术(即光刻技术) 、刻蚀技术、浅结掺杂技术、超薄膜形成技术等。其
中的曝光技术是微细加工技术的核心。
2.1国外微细加工技术在Ic 方面的成就
国外微细加工技术在IC 工业方面取得了很大的成就。表1是ORAM 发展所要求达到的光刻技
术水平和近年来ORAM 的发展趋势。需要特别提到的是，1991年，日本日立公司研制成功64MORAM ，其加工线宽为0.3微米，芯片面积为9.74X20.28平方毫米，集成度为1.21火1护个元器件;1992年，日本富士通公司推出256MORAM ，加工线宽为0.2微米，芯片面积为16火25平方毫米，集成度为5.6x1了个元器件。由表5不难看到，国外在微细加工技术研究方面取得的进展是很快的，以致于每隔几年就能推出一代产品。以下是生产256MORAM 所需达到的微细加工技术水平:光刻0.25微米(套刻精度士0.08微米，线宽控制0.04微米) ，无机且能真空处理的全干刻蚀剂技术，0.1微米以下浅结技术，低温工艺仁平坦化，全干法加工、刻蚀、清洗，CVO 铝和铜金属化，全自动化。
表5
2.2国外微细加工技术在半导体器件研究方面的成就
国外微细加工技术在半导体器件研究方面也取得了很大的成就。1993年，日本东芝公司
的研究开发中心研制成功门长度仅为0.04微米的n 沟道MOSFE 丁，并且可在室温下工作。德
仪(TI)公司在工993年也研制成功晶体管特征尺寸为0.02微米的集成电路，在该特征尺寸下，
电子已经停止了粒子活动，开始转化为类似波的活动。目煎国外研制的日EM 下器件的最小栅
长仅为25纳米。另外，国外也利用高水平的微细加工技术制作出了与电子相干长度相当的纳
米结构(包括量子线、量子点阵、量子点接触等) ，并对其物理过程进行了广泛的研究，提出了
电子波器件的可能性。美国《物理评论》杂志指出，以量子效应为基础的电子波器件有可能成
为ULsl 技术的基础，并将导致未来电子学发展的一场新革命。
国外在lC 工业和半导体器件研究方面所取得的成就无一不得益于微细加工技术的发展。
可以说，国外的微细加工技术正在朝着物理加工极限发展。
3. 光刻技术的发展
光刻技术是微细加工技术的核心。考核光刻技术的质量指标主要有分辨率、焦深、生产效
率等。对于未来可能应用于IC 工业的光刻技术，目前争论较多的是光学光刻和X 射线光刻。
根据瑞利公式，投影光学系统的分辨率R-kl 入/NO，其中入为曝光波长，NO 为镜头的数
值孔径，k ，为条件系数。不难看出，提高光刻分辨率的途径有三:一是增大N 。，二是缩小入，
三是提高k; 。80年代中期，人们曾把增大闪。作为提高分辨率的主要途径，但为了满足芯片
面积日益增大的要求和提高生产效率，必须在增大NO 的同时又加大视场面积和降低畸变，这
就使光学设计越来越难。于是人们开始转向缩小曝光的波长，但是根据焦深公式:00「一kZ 入
/N02，增大NO 和缩小入又不可避免地导致焦深的急剧减小。这似乎表明，光学光刻快要走到
了尽头。
然而，马克·赖文森于1982年提出了移相曝光技术，也就是通过改变辐射光相位的方法
使曝光图形的分辨率和焦深得以提高。它包括移相掩模曝光技术、片子移相曝光技术、改进照
明光源的移相照明技术等。光学光刻有了一种“柳暗花明又一村”的感觉。目前tC 工业生产
中的16MORAM 采用的是i 线以一365纳米) 紫外曝光，旧M 和日立公司目前正在考虑采用i
线结合移相曝光技术或者激光曝光技术(入=248纳米) 来生产64MDRAM ，1992年日立公司推
出的256MORAM 所采用的光刻技术也是光学曝光技术。最近，日本科学家宣称，采用移相曝
光技术可以使加工线宽达到0.15微米。但是必须看到，所谓的移相曝光技术其实已经超出了
普通光学曝光的范畴，其掩模的制作难度很大，制作成本也很高。而且，要生产IGORAM(特
征尺寸0.18微米) 及IG 以后的ORAM 时，光学光刻很难有所作为。这时，人们认为X 射线光
刻会显示出其巨大的优越性。
X 射线光刻最初是旧M 公司的史密斯(日.1.Smith) 于1972年提出的，后来许多国家都投人
巨资进行研究。毫无疑问，同步辐射X 线光源是最好的X 射线光源，它具有光强强度高(达到
100mw/cmZ以上，比普通的X 光管高两个量级) 、准直性好、光强均匀等优点，所以目前研究
最多的是同步辐射X 线光刻。同步辐射X 线光刻具有分辨率高(最近法国微结构国家实验室
CNRS 已用同步辐射x 线光刻技术曝出线宽为5o 纳米，间隔为100纳米的周期性重复图形) 、
工艺宽容度大、生产效率高、单片芯片的生产成本低(相对于光学光刻) 等优点。它包括同步辐
射X 线光源、掩模、光刻胶、对准装置四大部分。其中的掩模制作是同步辐射X 线光刻的关
键，目前各国都普遍采用电子束光刻的办法制作母掩模的图形，然后用X 线曝光的方法拷贝
母掩模，可以大大地降低掩模的制作成本。
X 射线光刻自从问世以来进展一直比较缓慢(相对于光学光刻而言) ，但是1988年以后国外
关于这方面的报道陡然增多，表明X 射线光刻技术已取得较大的突破。以下是近几年来国外
采用X 射线光刻技术在储存器研制方面取得的进展:199。年，IMDRAM(特征尺寸1微米) 和
64KSRAM 研制成功;1992年5月，256KSRAM(特征尺寸0.5微米) 研制成功;1992年9月，
siZKSRAM(特征尺寸0.35微米) 研制成功;1993年2月，512KSRAM(特征尺寸0.25微米) 研制
成功。另外，同步辐射x 射线光刻应用于微机械制造(即LIGA 技术) 、量子线的制作等方面的
研究工作近年来也取得了较大的进展。同步辐射X 射线光刻应用于IC 工业的最大障碍是同步
辐射装置的成本很高和掩模制作技术的困难。同步辐射X 射线光刻研究人员目前正在建造小
型专用光刻储存环和争取掩模制作技术的突破。但是，关于同步辐射X 线光刻技术是否能最
终应用于lC 工业生产的问题，迄今仍争论不休。不过，目前普遍认为，2000年以前IC 工业
生产采用的光刻技术仍然是光学光刻技术，只有当ORAM 发展到IG 以上时，x 射线光刻技术
才会逐步显示出其生命力。但是，毫无疑问，放弃对X 射线光刻技术的研究是一种短浅、愚
蠢的行为(X射线光刻中的许多技术，如掩模检测与修复技术、对准技术、高质量的电子束技
术等，均可直接应用于光学光刻) 。正因为如此，国外许多大公司和研究单位，如美国的旧M
公司、摩托罗拉公司、贝尔实验室、电报电话公司，日本的N 一，尸卜otonfaetor 丫，法国的
CNRS 等都正在进行这方面的研究工作，以期能在将来的光刻技术中取得领先地位。可以预言，
X 射线光刻技术和光学光刻技术的竞争不仅是技术上的竞争，也是经济力量上的竞争。
4. 我国的微细加工技术水平
我国自从1985年研制出第一块IC 芯片以来，微细加工技术取得了较大的进步。在ORAM
研制方面，1986年研制成功64KDRAM ，1990年研制出iM 汉字ROM ，其加工线宽为1.5微
米，集成度为1.06Xl 护个元器件。1986年我国开始批量生产5微米技术产品，1994年开始批
量生产3微米技术产品。“八五”科技攻关项目安排了0.8微米技术，“攀登”计划安排了0.5
微米基础技术研究。预计这些安排将会使我国在未来的IC 工业竞争中取得一些主动权。但是
必须清楚地看到，我国的微细加工水平与国外确实存在着较大的差距。在同步辐射X 线光刻
研究方面，我国已建立了BSRF 和NSRL 两个同步辐射X 射线光刻站。1990年6月，成功地
进行了首次同步辐射X 射线光刻实验。1993年11月，同步辐射深光刻技术(即UGA 技术) 取
得了较大进展。
4.1对微细加工的认识
鉴于微细加工技术是IC 工业发展的关键，微细加工技术的突破将会带来一场新的技术革
命。我们认为:
1. 必须提高对微细加工技术研究重要性的认识，制订好提高我国微细加工技术水平的战略
规划，对有全局作用的微细加工关键技术要有重点突破。
2. 加快提高我国微细加工设备的研制水平。一代设备推出一代技术，一代技术推出一代产
品，微细加工设备已成为制约微细加工技术发展水平的重要因素。因此，研制出高精度、高度
自动化的微细加工设备已成为摆在我们面前的紧要任务。
3. 加强基础技术研究。几十年来我们在半导体器件研制和IC 工业发展中一直处于较为被
动的局面，一个主要的原因就是对于带有基础性的、全局性的基础技术研究缺乏足够的重视。
对于电子束光刻技术、同步辐射X 线光刻技术、反应离子刻蚀技术、电子束掺杂技术以及小
尺寸器件的制作技术等都重视不够。
4. 统盘全局，克服现在在微细加工技术研究方面技术力量比较分散的缺点，象抓系统工程
那样抓微细加工技术研究，利用各研究单位的技术优势，联合攻关。
5. 加快微细加工技术人才的培养。技术竞争的结果最终必然是人才的竞争，因此必须注重
对微细加工技术研究人才的培养。
4.1.2微细加工技术的原理和应用研究
20 世纪80 年代以来, 微机械、微机电系统(MEMS ) 这一门新兴交叉学科开始兴起, 微细加工技术
作为获得微机械、微机电系统的必要手段得到了快速的发展。微细加工技术起源于平面硅工艺, 但随着半导体器件、集成电路、微型机械等技术的发展与需求, 微细加工技术已经成为一门多学科交叉的制造系统工程和综合高新技术, 广泛应用于医疗、生物工程、信息、航空航天、半导体工业、军事、汽车等领域, 给国民经济、人民生活和国防、军事等带来了深远的影响, 被列为21 世纪关键的技术之一。微细加工技术是由瑞士公司发明的一种新型加工工艺, 在2004 年法国巴黎举办的国际表面处理展览会( SITS ) 和2004 年在法国里昂举办的ALLIANCE 展览会上荣获2 项发明奖。微细加工工艺和设备拥有国际专利保护。
4.1.3 微细加工的技术原理与分类
微细加工技术结合了超精增亮和超精抛光两项革新技术, 能够有选择性地保留表面的微观结构, 以提高表面的
摩擦和滑动性能( 表面技术) , 以机械化和自动化取代传统的手工抛光, 提高表面的美学功能。这种微细加工技术应用于切削刀具、冲压和锻造工具, 航空、汽车、医疗器械、塑料注射模具等机械零件的表面处理, 能够极大地改善零件表面的性能。
微细加工技术采用全自动方式对金属零件表面进行超精加工, 通过一种机械化学作用来清除金属零件表面上
1～40μm 的材料, 实现被加工表面粗糙度达到或者好于ISO 标准的N1 级的表面质量。微细加工技术主要应用于超精抛光和超精增亮这两个领域。超精抛光使传统的手工抛光工艺自动化; 而超精增亮则生成新的表面拓扑结构。微细加工技术的一个突出优点是能够赋予零件表面新的微观结构。这些微观结构能提高零件表面对特定应用功能的适应性。如减小摩擦和机械差异、提高抗磨损性能、改善涂镀前后表面的沉积性能等。总的说来, 超精增亮可去除次级微观粗糙表面, 次级粗糙表面的厚度在0～20μm 之间, 位于零件表面初级微观粗糙面的峰尖之间。而超精抛光则部分或整体去除初级微观粗糙表面, 其值在10～40μm 之间, 当然这取决于零件材料表面的初始状态。微细加工与常规尺寸加工的激励特点区别主要体现在:
（1）加工精度的表示方法不同
一般尺度加工精度常用相对精度表示, 微细加工精度用尺寸的绝对值来表示, 并引入了加工单位的概念。
（2）加工机理存在很大的差异
由于微细加工中加工单位的极小化而产生了微动力学、微流体力学、微热力学等方面的微观机理, 常规的加工
方法及理论已不适用。
（3） 加工特征明显不同
在机电产品中, 一般常规加工都是以尺寸、形状、位置精度为特征, 而微细加工多以分离或结核原子、分子为
特征。
目前, 国际上微细加工技术的研究与发展, 主要形成了以美国为代表的硅基MEMS 技术, 以德国为代表的
LICA 技术和以日本为代表的传统加工方法的微细化等主要流派, 他们的研究与应用情况代表了国际微细加工的水平和发展方向。
由于微机械和微细加工零件尺寸或加工尺度的微小化, 许多宏观状态下的物理量和机械量在加工过程中都将发
生很大的变化, 并在微观状态下呈现出特有的规律, 因而涉及到了与常规理论不同的微机械学、微电子学、微光学和分子装配技术等多种理论学说。在各种微观理论学说的基础上, 发展起了各种各样的现代技术。依据微细加工中加工机理的不同, 可以将微细加工技术分为以下四类:
( 1) 分离加工—将材料的某一部分分离出去的加工方式, 如切削、分解、刻蚀、蒸发、溅射、破碎等。
( 2) 结合加工—同种和不同种材料的附加或相互结合的加工方式, 如蒸馏、沉淀、生长、渗入、黏结等。
( 3) 变形加工—使材料形状发生改变的加工方式, 如塑性变形加工、流体变形加工等。
( 4) 材料处理或改性。
5. 微细加工技术的应用分析
微细加工技术迄今能够加工的材料有退火及淬火钢、铜及铜合金、铸铁、镍合金( 镍基合金) 、钛金
属、表面硬涂层处理前后的预处理( PVD 、CVD 、电镀) 。微细加工技术是一种有选择性地精修被加工对象表面微观粗糙度和拓扑结构的创新性微观加工工艺。这种机械化学加工工艺是一种全自动化的加工工艺, 适用于汽车制造、电子、化工、冶金、机械制造、航空制造等行业, 尤其是注塑模具、刀具和机床工具、高精密零件、光学器件, 以及硬涂层处理前后的表面预处理加工。
微细加工技术通过改变材料表面的微细结构, 能够减小摩擦、提高抗磨损性能, 显著地提高材料的表面性能, 在
刀具行业具有广阔的应用前景。如采用超精增亮技术, 彻底消除次级微观粗糙表面, 减小摩擦, 能够提高刀具的排屑性能, 降低切削力; 而保持初级粗糙表面, 有利于保护润滑油膜, 提高刀具的排屑性能, 减少发热; 如果在涂层处理前优化预处理涂层基面, 或者在涂层之后彻底清除涂层引起粗糙表面, 则能够提高PVD 涂层的附着性能, 延长刀具的使用寿命, 消除刀具表面的积屑瘤问题。这种创新的加工工艺近几年来在诸多工业领域的实际应用清楚地表明,
微细加工技术能够大幅降低超精加工的成本; 极大地缩短生产周期; 方便地提高表面的质量, 并且采用这种加工工艺加工出来的表面具有无以伦比的一致性和再现性。微机械技术综合应用了当今世界科学技术的尖端成果, 目前微细加工技术已经在特种新型器件、电子零件和电子装置、机械零件和装置、生物工程、表面分析、材料等诸多领域发挥着越来越重要的作用。
6. 在微电子器件制造中的应用
微细加工技术最典型的应用是大规模和超大规模集成电路的加工制造, 在其制造过程中, 从制备晶片和掩膜开
始, 经历多次氧化、光刻、刻蚀、外延、注入等复杂工序, 到划片、引线焊接、封装、检测等一系列工作直到最后得到成品, 每道工序到要采用微细加工技术, 微细加工技术在这里得到了全面的应用。在集成电路制造过程中, 微细加工技术主要有横向微细加工技术和纵向微细加工技术两种方式。
6.1在微机械和微机电系统方面的应用
从1962 年第一个硅微型压力传感器问世到现在, 采用微细加工技术研制加工的各种微型机械机电产品大量出
现在各个科技领域。利用微细加工技术, 可以将机载产品的硬件比例的幅度减小, 以满足其体积小、重量轻的空间特殊要求。目前, 已有大量的微型机械或卫星系统被研究出来, 如用于航空航天、汽车工业、医疗器械、军事武器、机器人等领域的各种微型压力传感器、加速度传感器、温度传感器、智能传感器等。
虽然, 微机械和微细加工技术得到了快速发展, 但是由于各种微观理论学说尚处在探索研究阶段, 完整的微观尺度下的理论体系尚未完全建立, 微机械与微细加工技术的研究主要还是来自经验和反复研究试探, 这对微细加工技术的进一步发展造成了较大影响。未来微机械和微细加工技术的研究仍然要立足于微观理论基础的研究和微细加工技术的探讨开发上, 推动微细加工技术向更高的层次发展。
7. 微机电系统的微细加工技术
以集成电路为代表的、建立在硅平面工艺基础上的微电子技术的巨大成功引发了一场微小型化
科技革命。如今起源于20世纪80年代末期，建立在微电子技术基础上，把传感器、处理器和驱动器等集成在一个芯片上的微机电系统(MEMS：micro electro mechanical systems)被视为微电子革命的继续而日益受到各等发达国家政府和科学家的高度重视，已经成为当今国际高技术竞争的热点。
随着微机电系统的发展，微型制造技术作为实现MEMS 技术的关键也开始引起世界发达国家的材
料科学工作者和工业界的极大关注。要想加工出精密的微机电器件，必须要具备相应微细加工技术。微细加工技术是MEMS 技术的核心技术，是MEMS 技术的关键和基础，也是MEMS 技术研究中最活跃的领域，离开了先进、可靠的微细加工技术，MEMS 的研发将受到极大的制约，更不能形成生产能力，MEMS 器件和系统的研究也只能是空中楼阁。在MEMS 的制作中， 由于涉及传感和运动执行部件，器件的形状比数字集成电路复杂得多，而且涉及到带有曲面、斜面及微尖形阵列等的三维微制作技术。现在微电子技术和集成电路工艺已经非常成熟，因此能产生含有曲面、斜坡、高密度微尖阵列器件和高深宽比等微结构的三维加工工艺必将成为下一步MEMS 领域的竞争热点。
迄今为止，开发成功的微机械加工技术主要有硅微机械加工技术(体硅加工工艺和表面硅加工
工艺) 、LIGA 技术、微立体光刻(MSL：micro stereolithography) 技术／IH(integrated harden polymerstereo lithography— —集成固化聚合物立体光刻) 工艺、EFAB (electrochemical
fabrication) 技术、CELT (confined etchant layer technique)技术、3D 电化学微加工
(electrochemical 3D microma —chining) 技术等。LIGA 技术和IH 技术已在文献3中进行了详细地描述，本文仅就其余的微细加工技术进行阐述。
7.1硅微机械加工
硅微机械加工技术是微结构制作中一种常用技术，它来源于集成电路加工技术，是由集成电路
的二维平面加工工艺发展而成的微三维加工技术，其主要内容有：体硅微机械加工技术，主要包括硅的湿法和干法腐蚀；表面硅微机械加工技术，主要包括结构层和牺牲层的制备与腐蚀；键合技术，主要包括静电键合和热键合。这些技术在实际应用过程中还要借助于集成电路加工工艺，如光刻、
扩散、离子注入、外延和淀积等技术。体硅微机械加工技术通常利用硅腐蚀的各向异性来制造各种几何结构，再通过键合技术将两部分硅的微结构结合在一起形成机电装置。表面微加工技术则是在基片表面加工出可动机电微结构，其特点是可以充分利用集成电路工艺中大量成熟的工艺技术；缺点是加工出的微结构深度比较小。
7.2 体硅微／加工技术
体硅微加工技术是以单晶硅材料为加工对象，采用腐蚀、镀膜、键合等工艺，在硅体上有选择
性地去除一部分材料，从而获得所需的微结构。当腐蚀剂为液体时所进行的腐蚀称为湿法腐蚀，腐蚀剂为气体时则称为干法腐蚀。若腐蚀是在硅片的所有方向均匀腐蚀时，称为各向同性腐蚀；如果腐蚀速度与单晶硅的晶向有密切关系，即不同晶向的腐蚀速度相差很大时，则称为各向异性腐蚀。 湿法腐蚀工艺是指采用不同的腐蚀溶液，对硅片进行各向同性腐蚀、各向异性腐蚀或自停止腐蚀，加工深度可达几百微米。各向同性腐蚀剂由氧化溶液组成，常用的是HF —HNO 腐蚀剂。在这里硝酸起氧化作用，氢氟酸起氧化溶剂作用。其简单的腐蚀机理是：首先，硝酸同硅发生氧化反应生成SiO ，然后由HF 将SiO 溶解，其反应方程式为
Si+HNO3+HF—— H2siF6+HNO2+H2O+H2 (1)
目前所有已知的用于进行硅各向异性腐蚀的溶剂都是碱性的，主要分为两类。一类是有机腐蚀
剂EPW (乙二胺、邻苯二酸和水) ；另一类是碱性腐蚀剂如KOH 。这两类腐蚀剂具有非常类似的腐蚀现象，其中最常用的是KOH 腐蚀液，它在(100)和(111)硅晶面方向上的腐蚀速率差别最大，高达400：1。KOH 腐蚀剂常用KOH (氢氧化钾) 、H20(水) 和(CH ) CHOH (异丙醇，IPA 缩写) 的混合液。其腐蚀的反应式为,
Si+2OH+2H20—— SiO2(OH)2-2+2H2 (2)
Si(OH) +6(CH3)2CHOH一[Si(OC3H )6]t+6H20(3)
由上述反应方程可知，在进行腐蚀时，首先KOH 将硅氧化成含水的硅化合物，然后与异丙醇反应，
形成可溶解的硅络合物，这种络合物不断离开硅的表面，最终形成所需要的微结构。
干法腐蚀是靠腐蚀剂的气态分子与被腐蚀的样品表面接触来实现腐蚀功能的。干法腐蚀的种类
很多，主要有离子腐蚀(IE)、离子束腐蚀(IBE)、等离子体腐蚀(PE)、反应离子腐蚀(RIE)和反应离子束腐蚀(RIBE)等。其中等离子体刻蚀或反应离子刻蚀是目前主要采用的干法刻蚀工艺。前者主要是气体放电产生的游离基对基体的化学刻蚀过程，一般为各向同性，选择性好；后者对基体的刻蚀既有反应中性游离基的作用，又有反应离子的作用，所以既有化学刻蚀过程，又有物理刻蚀过程。控制工艺参数可进行各向同性刻蚀，或进行各向异性刻蚀，选择性也较好。这些工艺的特点是刻蚀速率较高，获得的微结构侧壁陡直，深宽比较大(约几十) 。图1 是用干法刻蚀工艺加工的硅微结构放大照片，最窄的线宽3 m，高度100 m，深宽比大于30。
体硅微加工技术与表面硅微加工技术相比，可以制作较大深宽比的三维微结构，但不能直接制
作可活动构件，需要通过静电键合或热键合工艺来获得含活动件的微结构。体硅微加工技术和表面硅微加工技术均是由微电子加工技术发展而来的，其工艺已相当成熟，与微电子工艺的兼容性较好，适合于批量制作含有集成电路的微结构。国内外利用这些技术已成功地研制了多种硅微传感器和微执行器，如微加速度计、微压力传感器、微电机、微泵等。 表面硅微加工工艺。
表面硅微加工技术是以硅片为基体，利用微电子加工技术中的氧化、淀积、光刻、腐蚀等工艺，在硅片表面上形成多层薄膜图形，然后把下面的牺牲层腐蚀掉，以保留上面的微结构图形图2给出
了该加工技术的基本工艺过程。薄膜层材料常用多晶硅、氧化硅、氮化硅、玻璃和金属等，为微结构器件提供敏感元件、电接触线、结构层、掩模和牺牲层。牺牲层(常用 )做在淀积和光刻形成图形的结构层下面，可用湿法腐蚀除去，使结构层与基底隔开。表面硅微加工技术是在硅片上用连续淀积结构层、牺牲层和光刻的工艺来制作微机械结构的，硅片本身并不被刻蚀，因而是一种平面加工或准三维加工工艺，适用于制作厚度几至十几微米和深宽比为几至十几的微机械结构。使用该技术可以制作可活动构件如转子、齿轮等，还可以制造多种谐振式、电容式、应变式传感器和静电式、电磁式执行器(如微电机、谐振器) 等。
7.3固相键合技术
固相键合技术是指不用液态粘连剂而将两块固体材料键合在一起，而且键合过程中材料始终处于固相状态的一种加工方法，主要包括静电键合和直接键合两种。静电键合(又称阳极键合) 主要用于硅一玻璃键合，可以使硅与玻璃两者表面之间的距离达到分子级。直接键合技术主要用于硅一硅键合，它可以将两种高度抛光的硅晶片在没有外加电场的情况下进行永久性键合 。静电键合技术是1969年Wallis 和Pomeranty 首次提出的,Brooks 和于Donovan 于1972年首次用溅射沉积方法将硼硅玻璃沉积在被键合的一硅基片表面，然后和另一硅基片进行键合。静电键合的原理 为：被键合的硅片接阳极，玻璃不与硅片接触的一面接阴极，阴极与阳极之间加 的电压，以 ℃以上的温度对玻璃和硅片加热。在这种温度下由于玻璃离子的电导率增大，使得玻璃中大量带有正电荷的钠离子产生漂移而离开玻璃一硅界面，迁移到玻璃外表面的阴极进行中和。由于阴离子较大，它的迁移速度慢，迁移率很小，因此作为正离子迁移的结果，在玻璃中，特别是在玻璃和硅片的交界面出现具有(负) 阴离子(SiO2) 的区域，硅片带正电荷，因而硅片与玻璃间存在较强的静电吸引力，使紧密接触的界面在高温下发生化学反应，通过氧一硅化学价键合，将硅及玻璃基片牢固地键合在一起。静电键合的键合强度可达数兆帕。
一
7.4硅膜工艺
硅膜工艺是1998由李敬锋和日本东北大学研究组共同开发的一种新型微制造技术 ，它融合了硅晶片的微细加工技术和材料成型技术，是种利用微加工的硅晶片作为微型模具来制备三维立体微结构的一种新型工艺。其工作原理为先用甩胶机在硅晶片的表面涂一层感光胶后，将它置于掩模版下进行曝光，通过显影处理后就会在感光胶层形成事先设计好的图样；将感光处理后的硅晶片进行反应性离子刻蚀(RIE)，无感光胶保护的部位就会被刻蚀成微孔，这样磨具就做好了；然后在模具上浇注液体材料，利用烧结工艺使其固化后，再用一种特殊的气体(如XeF 等) 将硅膜选择性的腐蚀掉，即得到所需的三维微结构? 由于该工艺使用了离子刻蚀工艺，其深宽比类似于陈迪教授等开发的DEM (deepetching，elec —tro —forming ，microreplication) 工艺，精度约为亚微米级。
在上述微加工工艺中，它们都能够产生不同深宽比、不同精度的真三维结构。但在各自的加工过程中由于都需要掩模，因而其精确度和灵活性受到了限制。它们很难根据图形的变化随时进行相应变动，而必需更换不同的掩模版，加工工艺不够灵活。另外，这些工艺中所用的掩模版主要是由电子束光刻生成的或由其转换而成的， 由于转换过程中存在误差，电子束掩模版的精度不能得到很好的重现，其光刻精度低于电子束光刻技术，一般在亚微米级。因此这些微三维加工术不能很好地适应将来微机电系统的高速发展，需要寻求更好的加工工艺，以便生产出精度更高、更复杂的三维微结构。电子束光刻技术是目前公认的最好的高分辨率图形制作技术， 目前各种亚微米级的生产模板全是用电子束光刻抗蚀剂工艺来完成的。电子束光刻具有束斑小、焦深长、易于控制等特点，在实验室条件下， 已能将电子束聚焦成尺寸小于2 nm的束斑，可以实现纳米级曝光。如果能够找到一种方法，将电子束光刻、IH 工艺和LIGA 工艺的优势结合起来，即使用具有直写功能、控制灵活、一
精度高等特点的电子束来代替IH 工艺中的激光束对液态低聚物进行辐射固化，通过层层叠加生成具有任意曲面和任意高深宽比的微结构，然后使用LIGA 技术的微电铸和注塑两后续工艺，完成微结构的批量生产，必能产生一种更加新颖的微加工工艺。
8. 微机械及其微细加工技术的现状和应用研究
8.1 微机械及其特点
20世纪8O 年代后期，国际高科技领域出现了一个值得重视的微机械技术(micromechanism)，随之出现了微机电系统(ech cal system)。微机械的问世引起了制造技术的一次革命。微加工技术在微机械的——
发展过程中占有主导地位，起着关键作用。MEMS 体积小、重量轻是利用微细加工技术和某些特殊功能材料，将机构及其致动器、控制器、传感器、电源等集成在一个微小体积范围内．发挥机械功能的机电一体化产品，是机、电、光、磁、化学、自动控制、传感技术与信息处理等多种技术的综合。功能比较齐全的微机械就是一个微机电系统，其代表装置就是微机器人。当然，它的实现必须有相应的基础理论及制造技术的支撑按照结构尺寸大小，可将微机械分为：1～100mm 的微小机械(minimechnism)，10tnn 一1mm 的微机械(micmmechandsm)，10tml 一10tnn 的超微机械(submicro~ mechanism)3类。外形微小，操作尺度极小成为微机械的基本特征。
微机械综合应用当今科学技术的尖端成果，是影响产业竞争力的基础科技之一。它具有传统机械所未有的优异特性，有着广泛的应用前景和可观的经济效益。微机械在机械工程、医药卫生、航天航空、国防尖端、信息、环境工程以至民生等方面都具有极其重要而广阔的发展前景。据国外预测，到20O2年，与微机械相关产品的产值将达到4O0亿美元。就应用而言，美国和日本优先用于航天航空、医疗、生物、民用电子产品等。欧洲主要用于制造技术、测试技术和过程控制技术等方面。从功能上看，微机械具有一般机械远不能及的优势：
(1)首先表现在活动空间、操作对象和工作环境上，由于微机械的微小特性，可以进入一般机械无法进入的区间；
(2)其次与一般机械相比，微机械所表现的智能化程度更高、实现的功能更趋于多样化。
8.2微机械的研究现状
8.2.1研究内容
微机械的研究可分为理论基础、技术基础和应用基础研究3部分。理论基础涉及微电子学、微结构学、微光学、微动力学、微热力学、微摩擦学、微流体学、材料学等。技术基础体现在微机械
的整个制作过程中，包括微机械选材、设计、微细加工技术、装配与封装技术、检测技术、控制与集成技术等。
8.2.2研究进展
在国际上，美、日、德在微机械的基础研究与产品开发方面占领先地位。加世纪60年代，美国就从事微机械研究，并已成功地利用硅片腐蚀方法制造了应用于医学的脑电极阵列的探针，接着又在微传感器等方面取得成功。至今，在静电电机、微机构的研究方面已处于领先地位。日本虽起步晚于美国，但由于政府、学术界和产业界的高度重视，在微细工具与徼细加工、微流量泵、微传感器、徼继电器等方面的研究获得了较快的进展。德国也已研制成功振动和加速度传感器、流量与温度传感器等各种微型构件。
国内由于基础、资金等问题，起步较晚，在研究规模、技术水平方面与先进国家相比尚有一定的差距。但也在积极开展某些研究工作。如清华大学研制成功了多晶硅粱、微流泵与阀、徼弹簧等微器件；哈尔滨工业大学研制出了电致伸缩陶瓷驱动的两自由度微机器人，位移范围为10nun ×10mm ；另外，上海交大、西北工大、上海光机所等些单位也在直流电磁电机的研制、柔性微致动器、多晶硅齿轮、微静电电机、一
微机械测试技术等方面做了不少研究工作。
8.2.3今后应用研究方向
美国国会已把微机械和纳米技术(NT)列为2l 世纪重点发展学科之一。日本从1991年起，也把微机械研究作为国家重大科研项目。英国政府在财政困难的情况下极力支持微机械的研究。我国的微致动器、微
机器人的开发已列入国家863计划。微机械与纳米技术将是21世纪的科技与产业的制高点，各国都想在此占有一席之地。这无疑为这方面的研究与发展提供了良好的国内与国际环境。
今后开展有关微机械与微细加工技术的研究，应将重点有针对性地放在具有较大应用价值的一些关键问题上：
(1)微机械构件的激光直写微细加工关键技术研究。采用准分子激光等比较先进的设备或技术手段，结合数控技术直接在材料上刻蚀出微细结构或图形，这和传统的湿度刻蚀比较，工序会减小到原来的l ／7，生产成本降低到1／10，较大的加工柔性使其更适合于该领域多品种、小批量、方便快捷的生产特色
(2)微机构的三维立体加工技术研究。基于激光的微细立体光刻技术是一种新型的微细加工方法。它将激光技术、CAD ／CAM 技术、材料科学及微细加工技术有机地结合在一起，可以直接加工出几乎任意复杂的微型立体结构。
(3)微机械及其构件的检测技术是一个急需解决的问题。其包括微结构三维尺寸、表面形貌等几何量的测量，弹性模数及残余应力等物理量的检测，以及整体工作性能的检测等等。
(4)进一步提高微机械的集成与封装技术，甚至可以考虑微机械的自装配技术。
微细加工原指加工尺度约在微米级范围的加工方法 在微机械研究领域中，微细加工是微米级精细加工、亚微米级微细加工、纳米级微细加工的通称。广义上的微细加工，其方式十分丰富，几乎涉及现代特种加工、高能束JJ~,．y-等方式。而微机械制造过程又往往是多种加工方式的组合。
9. 微细加工技术
从基本加工类型看，微细加工可大致分四类：分离加工；接合加工；变形；材料处理或改性和热
处理或表面改性等。微细加工技术曾广泛用于大规模集成电路的加工制作，正是借助于微细加工技术才使得众多的微电子器件及相关技术和产业蓬勃兴起。目前微细加工技术已逐渐被赋予更广泛的内容和更高的要求。微细加工技术已在特种新型器件、电子零件和电子装置、机械零件和装置、表面分析、材料改性等方面发挥日益重要的作用，特别是微机械研究和制作方面，微细加工技术已成为必不可少的基本环节。
10. 微细加工技术发展前景与展望
自1958年美国首先研制成功集成电路起，1963年MoS 场效应晶体管研制成功，1964年出现PMOS 集成电路，1971年以来相继推出了4K 、16K 、256K 、IM 、4M 、16M 、64M 、256M 和lG 的DRAM(动态存贮器) ，并形成规模生产。从集成电路制作技术的发展历史可以看出，到目前为止，国际上集成电路芯片的发展基本上还是遵循摩尔定律和等比例缩小规律，即每隔3年集成度增加4倍，因硅电子器件随着其特征尺寸的缩小，工作速度将会增加，功耗将会降低，其特征尺寸随之相应缩小30 ，同时引发了系列微细加工技术“极一
限”问题，见表1。
10.1 延伸“极限" 束缚的技术
微电子技术的发展与进步主要是靠工艺技术的不断改进，使得器件特征尺寸的“极限”获得一次次突破，从而使集成度不断提高，功耗降低，器件性能得到改善，然而特征尺寸的不断缩小，使得集成电路的微细加工技术不断受到物理学“极限”的困扰，同时对工艺中所采用的材料、介质以及超微细加工技术、各种掺杂技术、金属化及多层金属互连技术水平的要求也越来越高。
10.1.1微细加工的基本流程
以硅为衬底的微细加工技术实际就是实现图形转移整个过程中的处理技术，一般的微细加工过程包括基片预处理、光刻、掺杂、腐蚀、互连线制作等基本流程。将预处理后的基片通过多次光刻技术、腐蚀技术，把电路图形永久地保留在硅片上，同时采用一定的掺杂技术，在硅片上形成满足IC 设计要求的半导体结构。
10.1.2 超微细光刻技术
在微电子制造技术中，最为关键的是用于电路版图图形生成和复制的光刻技术。目前光刻技术变革将对整个微电子制造技术的发展产生重大影响。现今光学光刻在超大规模集成电路的生产中仍然占据着主导地位。当特征线条尺度从0．18um 迈向0．13um 时，首先在光刻工艺上遇到难题，在曝光过程中因曝光源经过光学上的衍射、干涉等能量损失，造成曝光线条分辨率下降，因而曝光源的选择及其重要。通过采用超短波长的近紫外光、深紫外光、极紫外光，以及X 一射线、离子束、电子束等曝光源光刻，已获得了高分辨率光刻线条。在深亚微米工艺研究中，利用极紫外线、电子束等作为曝光源，将成为今后的首选。由钼(Mo)硅(S ) 组成的多层结构膜对极紫外光有较高的反射系数，因此13nm 的极紫外线光反射式光刻系统可能成为深亚微米(0.1u m以下) 技术中的主流曝光工具。
由于超微细光刻在器件加工中的重要性，所以超微细光刻技术得到国际许多大公司的关注。电子束光刻，最早由Lucent 公司研制了投影光刻系统Scaped ，使用由低分子量氮化硅膜和高原子量的钨栅层共同组成的散射掩模版，当高能电子束照射在掩模版上时，经过低原子量氮化硅的电子束不发生散射，而经过高原子量钨栅的电子束发生散射，然后电子经过透镜聚焦到一个孔上，并只允许没发生散射的电子通过，再经过另一个透镜照在硅片上，重新出现由低原子量材料组成的图案，由于此孔挡住了散射的电子，所以在硅片上可以获得高反差的图象。由于它不吸收电子、图形不易变形，应用前景很好。
10.1.3互连线与低K 介质材料
在VLSI 加工工艺中，普遍采用铝互连，在进入ULSI 之后，采用铜互连(在0．25n0．18／~m技术中已使用) ，它具有较低的电阻率和抗电迁移、抗应力迁移等性能，但是采用铜材料的缺点是铜分子很容易向硅(Si)、二氧化硅(SiO：) 材料中扩散，导致器件性能降低或失效，因此必须寻找合适的阻挡材料。目前采用较多的阻挡材料有TiN 、WNx 、Tiw 等，这些技术的发展使得铜互连技术已经可以实现到九层。在铜互连技术中，必须使用低K 值的介质材料如多孔二氧化硅等，它可降低电容，并且多孔二氧化硅有随着气孔率升高，介电常数逐渐降低的特性。另外Polymide 为代表的有机聚合物也已经成为当前低K 值介质材料研究发展的方向。
10.1.4高K 栅绝缘介质
MOSFET 栅绝缘介质一般采用二氧化硅，而进入深亚微米后，可逐渐被SiNxOy 代替，它可解决p+离子在SiO 。中的扩散问题，同时有较高的介电常数。但SiNxOy 具有一定的不稳定性，优质SiO ：是很有发展前途的介质层。此外，栅极下绝缘氧化层的厚度随着器件尺寸的缩小也变得越来越薄，并且会产生量子效应——即遂穿效应，遂穿效应会引起器件严重漏电，造成器件功能降低。为了克服3nm 以下栅的隧穿效应，可以采用高介电常数介质材料。研究引入新型材料Ta O 、TiO ：、(Sr，Ba)TiO 等，保证绝缘介质层具有一定的物理厚度，由此减小栅电极与沟道间的直接隧穿电流，这也是目前共同研究的方向。 10.1.5等离子刻蚀
随着线宽的进一步缩小，尤其进入亚微米之后，如何减少刻蚀对线条的损伤，各向异性选择刻蚀等问题一直是技术难点。同时出现了接触孔刻蚀、浅槽隔离等新问题，DPS 非耦合高密度等离子体具有较好的均匀性、硅片损伤小，得到了较好的应用。随着尺寸的缩小，介质膜层数的增加，采用平坦化工艺是不容忽视的，0．5um 时采用IMD —CVD 三层淀积，达到平坦化目的，进入0．18um 以后，采用化学机械抛光(CMP)，用化学试剂和精细研磨的方法，达到硅片平整的目的。
10.1.6离子注入
进入0．1um 后，需要低能量(200ev)注入机进行浅源漏延伸区注入，及深源漏区注入，采用大倾角注入机解决短沟道效应，采用高能注入机解决阱及开启电压调整，今后随着SOl 材料使用的逐渐增多，
采用强束流(束流达50—100mA) 注入机进行注氧形成绝缘层。同时热退火工艺技术方式也有很大变化，采用高频加热或卤素灯等，实现快速退火升温，速率达250℃／秒。
10.1.6氧化后HDPCVD
进入0．18um 后，栅氧绝缘层小于5nm 称为超薄栅，进入0．1um 后，薄栅介质改用高介电常数介质，如：氮氧化硅等需快速升温设备，60℃／秒，8英寸线大量采用立式炉，国外正研制原子层生长的超薄栅淀积设备。进入深亚微米后，普通PECVD 已满足不了低K 介质、浅槽隔离介质及电容深槽介质的需要，只能采用高密度等离子体(HDP)CVD。
11. 结束语
从2001年起，0．13／~m 的生产线逐渐投入使用，预计0．05／~m技术在2012年可以实现，时钟频率为10GHz ，集成度可达10亿个元件。目前器件的最小尺寸已经缩小到深亚微米甚至0．1 m以下，随着器件特征尺寸的缩小，微小MOsFET 中的一些物理效应如漏感应势垒降低效应、互连线延时效应、短沟道效应、迁移率场相关效应、热载流子退化效应、二维量子化效应、SiO 。膜击穿效应等引起的电阻问题、电迁移等诸多问题将使得硅器件的性能难以得到改善。
据悉INTEL 公司的下一代产品将使用0．09um 的制造技术，这个数量级已经趋近于传统工艺所能达到的物理极限，为了突破硅器件的物理学“极限”，除了不断提高工艺技术水平外，正研究各种可能的新一代微电子器件，包括单电子晶体管、量子隧道器件、分子器件、厚膜器件和功能器件等。
当器件发展到0．1um 以下时，相关技术已发展到纳米技术研究范围，纳米技术的研究范围为0．1～ 100nm(0．0001～0.1um) ，如果用纳米技术的概念去观察研究硅技术的“极限”，就会出现新的方法来解决问题。21世纪，微电子技术仍将以尺寸不断缩小的硅基CMOS 工艺技术为主流，硅微电子技术主要发展方向如下：①继续缩小器件的特征尺寸；②系统集成芯片(sOC)是发展重点；③智能芯片。随着器件的缩小，将会带来一系列问题，如散热增大稳定
性降低、制造成本高，运行速度难以进一步提高等，但0．09um 的制造技术远不能满足人们的需要，纳米技术将为人们提供崭新的微细加工技术的发展空间。
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