微納加工科學(xué)原理

前言

微納加工是應(yīng)用非常廣泛、發(fā)展非常迅速的一門多學(xué)科交叉的新學(xué)科。它的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了集成電路、集成光學(xué)、微光機(jī)電系統(tǒng)、微流體、微傳感、納米技術(shù)以及精密機(jī)械加工等多個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。為了適應(yīng)微納加工技術(shù)的發(fā)展和工程實踐應(yīng)用需求，推動我國微納加工技術(shù)的自主發(fā)展和創(chuàng)新，作者根據(jù)長期從事微納加工技術(shù)、帶電粒子光學(xué)和光電子學(xué)等方面的科研和教學(xué)工作積累，在所取得的研究和教學(xué)成果的基礎(chǔ)上，廣泛參閱國內(nèi)外該學(xué)科已有成果，編寫成本書。其宗旨是為微納加工的科研和工程實踐工作提供有益的指導(dǎo)，幫助讀者理解涉及微納加工有關(guān)過程的物理內(nèi)涵，以更好地解決微納加工工藝過程和設(shè)備研發(fā)與使用中存在的問題。本書系統(tǒng)、全面地論述與現(xiàn)代微米與納米微細(xì)加工有關(guān)的科學(xué)原理，包括從事微納加工工藝與設(shè)備研發(fā)必須掌握的有關(guān)光學(xué)、X射線與極紫外射線、電子與離子束、氣體放電與等離子體、光子和帶電粒子與固體樣品的作用，潔凈真空技術(shù)，常用的襯底與薄膜材料，微細(xì)圖形技術(shù)，薄膜淀積、蝕刻、外延生長，硅氧化、擴(kuò)散、離子注入等方面的科學(xué)原理，涉及多個學(xué)科領(lǐng)域；同時，也對有關(guān)儀器設(shè)備、微細(xì)結(jié)構(gòu)與器件的分析和表征手段等方面的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)作了扼要的論述。本書取材較新，比較全面地概括了國內(nèi)外近10年來微納加工領(lǐng)域取得的新成果和新進(jìn)展；在原理論述上注意做到深入淺出，物理意義明確，便于讀者理解。書中特別將納米加工技術(shù)的科學(xué)原理與發(fā)展作為論述的重點，從全新的多方位視角對該領(lǐng)域的現(xiàn)狀和發(fā)展進(jìn)行把握和審視。本書可供從事微納加工的科研人員、工程技術(shù)人員閱讀參考，也可作為高等學(xué)校電子科學(xué)與技術(shù)、微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、傳感器技術(shù)及精密機(jī)械加工等專業(yè)研究生的教材或參考書。本書由唐天同、王兆宏共同編寫，其中第3章及第6章部分內(nèi)容由王兆宏執(zhí)筆，其余章節(jié)由唐天同執(zhí)筆。在編寫過程中，康永鋒、李淑萍、趙健、陳浩、趙靜宜、孫雯君、劉子晨協(xié)助處理了本書的大部分圖表，在此向他們表示感謝。

內(nèi)容概要

本書基于作者長期從事微納加工技術(shù)、帶電粒子光學(xué)和光電子學(xué)等方面的科研和教學(xué)工作積累，系統(tǒng)、全面地論述現(xiàn)代微米與納米微細(xì)加工的科學(xué)原理。主要內(nèi)容包括：光子、電子、離子和等離子體及其作用，常用的襯底與薄膜材料，微細(xì)圖形技術(shù)，薄膜淀積、蝕刻、外延生長、氧化、擴(kuò)散和離子注入的過程和方法，以及微細(xì)結(jié)構(gòu)的光學(xué)、電子顯微、聲學(xué)、掃描探針顯微等微觀分析和表征手段。本書深入淺出，物理意義明確，取材較新，比較全面地概括了國內(nèi)外近10年來微納加工領(lǐng)域所取得的新成果和新進(jìn)展，便于讀者從寬廣的視角來理解本學(xué)科前沿的各種科學(xué)技術(shù)問題，進(jìn)行創(chuàng)新性研究和開發(fā)工作?！　”緯晒╇娮涌茖W(xué)與技術(shù)、微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、精密機(jī)械加工、微電子集成工藝、半導(dǎo)體與集成電路工藝設(shè)備、光電子集成工藝設(shè)備、微機(jī)械及微光-電-機(jī)械加工、微流體技術(shù)、微傳感器件與技術(shù)等領(lǐng)域科研人員參考使用，也可用做高等學(xué)校相關(guān)學(xué)科的教學(xué)參考書。

作者簡介

唐天同，1938年生，西安交通大學(xué)教授、物理電子學(xué)科首位博士生導(dǎo)師，光電子與物理電子工程研究所所長。國家自然科學(xué)獎評審專家，陜西省師德標(biāo)兵。1961年畢業(yè)于清華大學(xué)無線電系.于1980－1982年、1994－1995年分別在英國劍橋大學(xué)和美國馬里蘭大學(xué)做訪問學(xué)者。獲教育部高校自然科學(xué)一等獎2項，電子工業(yè)部、國家教委和陜西省科技進(jìn)步二等獎各1項。發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇，出版專著和教材8部。所指導(dǎo)的博士生論文獲全國優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎2篇、提名獎2篇。王兆宏，1976年生，西安交通大學(xué)副教授.碩士生導(dǎo)師，工學(xué)博士。發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇，出版著作2部，其中與唐天同教授合作出版的《集成光學(xué)》獲陜西省高等院校優(yōu)秀教材二等獎、西安交通大學(xué)優(yōu)秀教材特等獎。主持國家自然科學(xué)基金項目1項，合作完成國家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金、西安交大研究生創(chuàng)新教育系列教材出版基金項目各1項，獲國家公派訪問學(xué)者出國留學(xué)基金項目1項。

書籍目錄

第1章 緒論 　1.1 微納加工技術(shù)的意義 　1.2 微電子和光電子工程與微納加工技術(shù)的關(guān)系 　1.3 平面工藝 　1.4本書內(nèi)容 　1.5 微細(xì)結(jié)構(gòu)的其他應(yīng)用領(lǐng)域 　1.6 未來納米結(jié)構(gòu)和納米加工 　參考文獻(xiàn) 第2章 光子、電子、離子和等離子體 　2.1 光波與光子 　　2.1.1 微納加工技術(shù)中的光源 　　2.1.2 幾何光學(xué)的聚焦成像概念 　　2.1.3 光的衍射和聚焦成像分辨率的衍射限制 　　2.1.4 光學(xué)成像的波動理論 　2.2 極紫外射線與X射線 　　2.2.1 極紫外射線與X射線的產(chǎn)生 　　2.2.2 極紫外線與X射線的控制 　2.3 自由電子與電子束 　　2.3.1 電子發(fā)射 　　2.3.2 電子光學(xué)和電子束系統(tǒng) 　　2.3.3 電子槍 　2.4 氣體放電與等離子體 　　2.4.1 氣體的電擊穿 　　2.4.2 氣體放電 　　2.4.3 等離子體 　　2.4.4 等離子體的電學(xué)性質(zhì) 　　2.4.5 等離子體的化學(xué)作用 　2.5 離子與離子源 　　2.5.1 概述 　　2.5.2 表面（熱）電離離子源 　　2.5.3 場離子源 　　2.5.4 等離子體離子源 　2.6 光子、電子及離子與物質(zhì)的作用 　　2.6.1 光子的作用 　　2.6.2 X射線與極紫外線光子的作用 　　2.6.3 電子的作用 　　2.6.4 離子相互作用　2.7 真空物理與技術(shù)概要 　　2.7.1 真空與低壓氣體的分子運動及氣體流動 　　2.7.2 真空室內(nèi)的吸氣與放氣過程 　　2.7.3 獲得低壓與真空的抽氣技術(shù) 　　2.7.4 低壓強(qiáng)與真空度的測量技術(shù) 　參考文獻(xiàn) 第3章 微電子與光電子集成技術(shù)中常用的襯底與薄膜材料 　3.1 晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 　　3.1.1 晶體的幾何結(jié)構(gòu) 　　3.1.2 晶體的電學(xué)性質(zhì) 　　3.1.3 晶體的光學(xué)性質(zhì) 　3.2 半導(dǎo)體材料 　　3.2.1 元素半導(dǎo)體 　　3.2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體 　　3.2.3 Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體 　　3.2.4 Ⅳ-Ⅳ族化合物半導(dǎo)體 　3.3 介電材料 　　3.3.1 電介質(zhì)材料 　　3.3.2 無源光電子材料 　3.4 玻璃和聚合物 　　3.4.1 基本概念和術(shù)語 　　3.4.2 玻璃 　　3.4.3 聚合物 　3.5 特殊微細(xì)結(jié)構(gòu)及其有關(guān)材料 　　3.5.1 半導(dǎo)體超晶格結(jié)構(gòu) 　　3.5.2 量子阱、量子線和量子點 　　3.5.3 碳納米管及其薄膜 　　3.5.4 光子與聲子晶體 　參考文獻(xiàn) 第4章 微細(xì)圖形技術(shù) 　4.1 前言 　4.2 光學(xué)光刻 　　4.2.1 接觸式和接近式曝光光刻 　　4.2.2 投射式光刻 　　4.2.3 先進(jìn)光學(xué)光刻技術(shù)和其他改進(jìn)分辨率的方法 　4.3 抗蝕膠 　　4.3.1 抗蝕膠曝光與顯影的原理及類型 　　4.3.2 （曝光）對比度曲線 　　4.3.3 涂敷和顯影工藝 　　4.3.4 抗蝕膠的化學(xué)放大和對比度增強(qiáng)技術(shù) 　4.4 X射線光刻技術(shù) 　　　4.4.1 概述 　　4.4.2 接近式X射線光刻系統(tǒng)及X射線光刻掩模板 　　4.4.3 投射式X射線刻 　4.5 極紫外線光刻 　4.6 電子束光刻系統(tǒng) 　　4.6.1 概述 　　4.6.2 掃描電子束曝光系統(tǒng) 　　4.6.3 投射式電子束曝光光刻系統(tǒng) 　　4.6.4 電子束光刻的抗蝕膠 　4.7 離子束光刻系統(tǒng) 　4.8 納米壓印技術(shù) 　4.9 LIGA制造技術(shù) 　參考文獻(xiàn) 第5章 蝕刻技術(shù) 　5.1 引言 　5.2 濕法（化學(xué)）蝕刻 　5.3 等離子體濺射蝕刻 　5.4 離子束蝕刻和離子銑 　5.5 基于化學(xué)作用的等離子體蝕刻 　5.6 光刻－蝕刻后的去膠 　5.7 激光蝕刻 　參考文獻(xiàn) 第6章 淀積 　6.1 蒸發(fā)淀積 　　6.1.1 蒸發(fā)、升華和凝結(jié) 　　6.1.2 真空蒸發(fā)淀積及蒸發(fā)淀積裝置 　　6.1.3 多組分薄膜的淀積 　6.2 濺射淀積 　　6.2.1 陰極濺射 　　6.2.2 濺射淀積過程和淀積速率 　　6.2.3 濺射淀積設(shè)備 　　6.2.4 離子束濺射淀積 　　6.2.5 離子束直接淀積 　　6.2.6 離子鍍 　　6.2.7 反應(yīng)（離子束）濺射淀積 　　6.2.8 剝離法 　6.3 化學(xué)氣相淀積 　　6.3.1 概述 　　6.3.2 化學(xué)氣相淀積的原理 　　6.3.3 化學(xué)氣相淀積裝置 　6.4 等離子體、光和電子束增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積 　　6.4.1 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積 　　6.4.2 光（增強(qiáng)）化學(xué)氣相淀積 　　6.4.3 電子束感應(yīng)化學(xué)氣相淀積 　6.5 其他薄膜成膜技術(shù) 　　6.5.1 電化學(xué)淀積 　　6.5.2 脈沖激光淀積法 　　6.5.3 溶膠?凝膠法 　　6.5.4 自組裝法 　6.6 薄膜厚度的測量方法 　　6.6.1 薄膜厚度的光學(xué)測量方法 　　6.6.2 薄膜厚度的電學(xué)測量方法 　　6.6.3 薄膜厚度的機(jī)械測量方法 　參考文獻(xiàn) 第7章 外延生長 　7.1 概述 　　7.1.1 外延生長 　　7.1.2 外延生長的過程 　　7.1.3 外延生長層的結(jié)構(gòu)形式 　　7.1.4 液相外延生長 　7.2 分子束外延 　　7.2.1 概述 　　7.2.2 分子束外延生長的薄膜 　　7.2.3 分子束外延設(shè)備 　　7.2.4 離化團(tuán)粒束外延生長 　7.3 金屬有機(jī)化合物氣相外延生長 　　7.3.1 概述 　　7.3.2 選擇式金屬有機(jī)化合物氣相外延晶體生長技術(shù) 　7.4 激光化學(xué)氣相外延生長 　參考文獻(xiàn) 第8章 微納加工中的特殊工藝過程 　8.1 氧化 　　8.1.1 概述 　　8.1.2 硅的熱氧化過程及氧化層的性質(zhì) 　　8.1.3 熱氧化設(shè)備 　　8.1.4 等離子體氧化 　8.2 擴(kuò)散 　　8.2.1 概述 　　8.2.2 擴(kuò)散方程 　　8.2.3 固相擴(kuò)散的物理模型 　　8.2.4 擴(kuò)散方程的解析解 　　8.2.5 場增強(qiáng)擴(kuò)散 　　8.2.6 擴(kuò)散設(shè)備 　　8.2.7 雜質(zhì)的密度和分布的分析 　　8.2.8 離子交換與質(zhì)子交換 　8.3 離子注入摻雜 　　8.3.1 概述 　　8.3.2 離子注入設(shè)備 　　8.3.3 離子注入過程 　　8.3.4 離子注入的溝道效應(yīng) 　　8.3.5 離子注入的輻射損傷 　　8.3.6 退火 　　8.3.7 激光束與電子束退火 　8.4 化學(xué)機(jī)械研磨平坦化技術(shù) 　參考文獻(xiàn) 第9章 微細(xì)結(jié)構(gòu)的微分析和表征 　9.1 光學(xué)及激光方法 　　9.1.1 光學(xué)顯微鏡 　　9.1.2 激光掃描共焦顯微鏡 　　9.1.3 基于干涉計量的激光測量儀器 　　9.1.4 激光掃描故障檢測系統(tǒng) 　9.2 電子顯微鏡和微分析方法 　　9.2.1 概述 　　9.2.2 透射電子顯微鏡 　　9.2.3 掃描電子顯微鏡 　　9.2.4 表面電子束點陣結(jié)構(gòu)分析方法 　9.3 聲學(xué)方法 　　9.3.1 概述 　　9.3.2 掃描聲學(xué)顯微鏡 　　9.3.3 掃描電子聲學(xué)顯微鏡　9.4 掃描探針顯微鏡 　　9.4.1 掃描隧道顯微鏡 　　9.4.2 原子力顯微鏡 　　9.4.3 掃描近場光學(xué)顯微鏡 　　9.4.4 掃描彈道電子發(fā)射顯微鏡 參考文獻(xiàn) 附錄 附錄A 縮略語表 附錄B 部分專業(yè)術(shù)語中英文對照表 附錄C 基本物理常數(shù) 附錄D 幾種常用單位的換算 附錄E 主要符號表 附錄F 金屬元素的蒸氣壓和蒸發(fā)速率 附錄G 化合物的蒸氣壓、熔點和蒸氣成分 附錄H 32種點群的平衡態(tài)性質(zhì)矩陣

章節(jié)摘錄

插圖：光波聚焦成像的問題實際上仍然是電磁波傳播的問題。鑒于矢量的電磁波傳播及其對于物質(zhì)作用的復(fù)雜性，有必要采用簡化的分析。嚴(yán)格的光學(xué)波動理論是矢量電磁場理論，第一步的簡化是將光場（光的電磁場）視為某種標(biāo)量的光場函數(shù)。但是，將復(fù)雜的透鏡系統(tǒng)用標(biāo)量的波動方程處理仍然非常繁雜，必須進(jìn)一步簡化。根據(jù)惠更斯·菲涅爾原理，在整個光學(xué)系統(tǒng)的不同部分，波動過程（如衍射現(xiàn)象）造成的偏離于幾何光學(xué)的程度是不同的。實際上，在光學(xué)透鏡的內(nèi)部，在各個折射面上，光束通常非常寬，由于菲涅爾衍射導(dǎo)致的偏離直線傳播的誤差非常小，波動（即衍射效應(yīng)）主要體現(xiàn)在聚焦束斑和極限分辨率上。所以，在不會嚴(yán)重影響問題實質(zhì)的前提下，可以對透鏡區(qū)作光線光學(xué)近似，即將透鏡視為一個“黑箱”處理。一個沒有像差的透鏡，其光學(xué)作用是：將物方空間物平面上一點發(fā)出的光線在像方空間聚焦為像平面上的一點。這在波動光學(xué)里的物理意義是透鏡把入射的平面波變換為像方空間（球心在焦平面）的球面波，或者說，把發(fā)散球面波變換為會聚球面波，兩者的球心分別在物點和像點。波動分析的實質(zhì)體現(xiàn)在：在像方空間球面波的有限波陣面尺度造成的衍射決定了像平面上的波場分布和成像性質(zhì)。2.平面光學(xué)圖像的數(shù)學(xué)描述在很多學(xué)科（如電工或電子信息學(xué)科）中，習(xí)慣地將非正弦的、隨時間周期變化的函數(shù)分解成離散的正余弦函數(shù)諧波的疊加，將非周期函數(shù)分解成連續(xù)譜的正余弦函數(shù)諧波的疊加，從而簡化問題的數(shù)學(xué)分析處理過程。這就是對電信號進(jìn)行傅里葉展開分析。傅里葉分析使復(fù)雜電信號的分析問題轉(zhuǎn)化為簡單的正余弦函數(shù)信號的分析問題。為了定量描述復(fù)雜的光學(xué)圖像函數(shù)，對于一個平面上二維的光場空間分布函數(shù)，使用二維的傅里葉空間諧波分析：無限范圍周期分布的光場函數(shù)，相當(dāng)于一系列的正余弦分布光場的諧波函數(shù)的疊加；而對于有限范圍的非周期光場（圖形）函數(shù)，其空間諧波函數(shù)的頻譜是連續(xù)的，其空間頻率分布在0～8范圍內(nèi)。頻譜中的高空間頻率的分量代表圖像的細(xì)節(jié)。空間頻率分布越寬，信息量越大，在像方空間（像平面）還原物平面的頻譜分布，對成像的光學(xué)系統(tǒng)的要求就越高。隨機(jī)圖形圖像的重現(xiàn)，不但要求光學(xué)聚焦成像系統(tǒng)的傳遞頻譜寬，還要求其頻譜特性平直，即平等地再現(xiàn)所有頻譜分量，否則便會出現(xiàn)圖像的失真。

編輯推薦

《微納加工科學(xué)原理》是信息科學(xué)與工程系列專著。

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