BW Professional Cutter Expert www.tool-tool.com

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　　魏志贞(潍
坊学院)
　　摘要　　对不锈钢材料数控车削加工的特点进行分析，论述了在数控车削不锈钢零件时，通过合理改变钢材料的硬度、选择切削刀具
与切削用量、以及选用适当的冷却液等加工工艺措施，可显著提高不锈钢零件数控车削的效率。
　　关键词　　3Crl3不锈钢;加工工艺;刀具
　
　1
3Crl3不锈钢数控车削特点及分析　　在不锈钢零件试加工时，首先按车削普通碳钢的工艺方法对3Crl3钢进行了车削试验，结果是刀具磨损严重，生产率
低，零件表面质量达不到要求。
　　比较3Crl3钢、40钢、45钢等碳素结构钢的机械性能，3Crl3钢的强度、延伸率、断面收缩率、冲击性
能等指标都比40钢、45钢高，是一种强度高、塑性好的中碳马氏体不锈钢。由于切削时加工硬化严重，切削抗力大，切削温度高，引起刀具磨损严重，使磨刀次
数增多，增加了停机时间和机床调整时间，降低了生产率。又由于容易黏刀，产生积屑瘤，引起工件尺寸的变化并影响表面粗糙度，而且切屑不易卷曲和折断，又损
伤工件已加工表面，直接影响零件的质量。所以，不能用切削45钢的工艺来切削3Crl3钢。也不能把普通车床上的加工方法照搬到数控车床上来。因为一般数
控车床装刀较少，要求用最少的走刀次数就能使加工表面达到要求的尺寸和表面粗糙度，以保证较高的生产率。 针对上述问题，采取了以下几项加工工艺措施。
全
文下载数
控车削3Cr13不锈钢工艺研究
 
歡迎來到Bewise
Inc.的世界，首先恭喜您來到這接受新的資訊讓產業更有競爭力，我們是提供專業刀具製造商，應對客戶高品質的刀具需求，
我們可以協助客戶滿足您對產業的不同要求，我們有能力達到非常卓越的客戶需求品質，這是現有相關技術無法比擬的，我們成功的滿足了各行各業的要求，包括：精密HSS DIN切削刀具、協助客戶設計刀具流程、DIN or JIS 鎢鋼切削刀具設計、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 航太切削刀具,NAS航太刀具設計、超高硬度的切削刀具、醫療配件刀具設計、複合式再研磨機、PCD地板專用企口鑽石組合刀
具、粉末造粒成型機、主機版專用頂級電桿、PCD V-Cut刀、捨棄式圓鋸片組、粉末成型機、航空機械鉸刀、主機版專用頂級電感、’汽車業刀具設計、電子產業鑽石刀具、木工產業鑽石刀具、銑刀與切斷複合再研磨機、銑刀與鑽頭複合再研磨機、銑刀與螺絲攻複合再研磨機等等。我們的產品涵蓋了從民生
刀具到工業級的刀具設計；從微細刀具到大型刀具；從小型生產到大型量產；全自動整合；我們的技術可提供您連續生產的效能，我們整體的服務及卓越的技術，恭
迎您親自體驗！！
BW
Bewise Inc. Willy Chen willy@tool-tool.com bw@tool-tool.com www.tool-tool.com
skype:willy_chen_bw mobile:0937-618-190 Head &Administration Office
No.13,Shiang Shang 2nd St., West Chiu Taichung,Taiwan 40356 http://www.tool-tool.com /
FAX:+886 4 2471 4839 N.Branch 5F,No.460,Fu Shin North Rd.,Taipei,Taiwan
S.Branch No.24,Sec.1,Chia Pu East Rd.,Taipao City,Chiayi Hsien,Taiwan
Welcome to BW
tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting
tools. We focus on what you need and endeavor to research the best
cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve
wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic,
machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would
like to solve every problem from you. Please feel free to contact us,
its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting tool、aerospace tool .HSS  DIN Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 Cutting Tools,Carbide end mill、disc milling cutter,Aerospace
cutting tool、hss
drill’Фрезеры’Carbide drill、High speed steel、Compound Sharpener’Milling cutter、INDUCTORS FOR PCD’CVDD(Chemical Vapor Deposition
Diamond )’PCBN
(Polycrystalline Cubic Boron Nitride) ’Core drill、Tapered end
mills、CVD Diamond
Tools Inserts’PCD
Edge-Beveling Cutter(Golden Finger’PCD V-Cutter’PCD Wood tools’PCD Cutting tools’PCD Circular Saw Blade’PVDD End Mills’diamond tool. INDUCTORS FOR PCD .
POWDER FORMING MACHINE
‘Single Crystal
Diamond ‘Metric
end mills、Miniature
end mills、Специальные
режущие инструменты ‘Пустотелое сверло
‘Pilot reamer、Fraises’Fresas con mango’
PCD (Polycrystalline
diamond) ‘Frese’POWDER
FORMING MACHINE’Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、Staple Cutter’PCD diamond cutter specialized in
grooving floors’V-Cut
PCD Circular Diamond Tipped Saw Blade with Indexable Insert’
PCD Diamond Tool’
Saw Blade with Indexable Insert’NAS tool、DIN or JIS tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills’end mill grinder’drill grinder’sharpener、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angel carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-nosed slot drills、Mould
cutter、Tool manufacturer.
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よ
うこそＢｅｗｉｓｅ　Ｉｎｃ.の
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情報を受け取って頂き、もっと各産業に競争力プラス展開。
弊
社は専門なエンド・ミルの製造メーカーで、客先に色んな分野のニーズ、
豊富な
パリエーションを満足させ、特にハイテク品質要求にサポート致します。
弊社は各領域に供給できる内容は：
（１）精密ＨＳＳエンド・ミルのＲ＆Ｄ
（２）Carbide Cutting
tools設計
（３）鎢鋼エンド・ミル設計
（４）航空エンド・ミル設計
（５）超高硬度エンド・ミル
（６）ダイヤモンド・エンド・ミ
ル
（７）医療用品エン
ド・ミル設計
（８）自動車部品＆材料加工向けエンド・ミル設計
弊社の製品の供給調達機能は：
（１）生活産業～ハイテク工業までのエンド・ミル設計
（２）ミクロ・エ
ンド・ミル～大型エンド・ミル供給
（３）小Ｌｏｔ生産～大量発注対応供給
（４）オートメーション整備調達
（５）スポット対応～流れ生産対応
弊社の
全般供給体制及び技術自慢の総合専門製造メーカーに貴方のご体験を御待ちしております。
Bewise
Inc. talaşlı imalat sanayinde en fazla kullanılan ve üç eksende (x,y,z)
talaş kaldırabilen freze takımlarından olan Parmak Freze imalatçısıdır.
Çok geniş ürün yelpazesine sahip olan firmanın başlıca ürünlerini
Karbür Parmak Frezeler, Kalıpçı Frezeleri, Kaba Talaş Frezeleri, Konik
Alın Frezeler, Köşe Radyüs Frezeler, İki Ağızlı Kısa ve Uzun Küresel
Frezeler, İç Bükey Frezeler vb. şeklinde sıralayabiliriz.
BW специализируется в
научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым
высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих /
фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и
электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид /
быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC
картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы,
фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм
для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано
инструменты. Пожалуйста, посетите сайт  www.tool-tool.com  для
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BW is specialized in
R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech
coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space
and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS
end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter,
shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill,
involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter,
thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain
sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web  www.tool-tool.com 
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　　李仙昊 季
远 姜兴刚 李 勋 张德远
　　摘要　　不锈钢9Cr18是航空发动机上较为常用的一种马氏体不锈钢材料，它的塑性大，粘附力强，用普
通钻削的方法比较难加工。采用中频轴向振动钻削
9Cr18零件的微小孔，取得了显著的效果。试验表明，相比普通钻削，振动钻削提高钻头寿命约10倍，并可以提高定位精度，降低钻头受力，改善孔的加工质
量。
　　关键词　　高速钢钻头 振动钻削 微小孔 不锈钢
　　微小孔的加工，一直是机械制造业中的难点。随着科学技术的发展，微小孔
的数量越来越多，材料越来越难，对孔的质量要求越来越高，加工难度在不断上升。目前虽然有很多种可用于加工微小孔的方法，如激光加工、电火花加工、电子束
加工等，但钻削仍然是应用最广泛的和最经济的方法。传统的钻削由于钻头刚度低、容易折断，已经难以适应要求越来越高的微小孔加工，而振动钻削却显示出其优
越性。
　　振动钻削与普通钻削的根本区别是在钻孔的过程中通过振动装置使钻头与工件之间产生有规律的、可控的相对运动，使切削用量中的切削速度
或进给量、吃刀深度按某种规律变化。
全文下载高
速钢钻头振动钻削9Cr18不锈钢微小孔的研究
 
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具、粉末造粒成型機、主機版專用頂級電桿、PCD V-Cut刀、捨棄式圓鋸片組、粉末成型機、航空機械鉸刀、主機版專用頂級電感、’汽車業刀具設計、電子產業鑽石刀具、木工產業鑽石刀具、銑刀與切斷複合再研磨機、銑刀與鑽頭複合再研磨機、銑刀與螺絲攻複合再研磨機等等。我們的產品涵蓋了從民生
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ル
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　　徐名聪1
居季成2
　　（1 上海理工大学 2上海应用技术学院）
　　摘要　　不锈钢作为优良的耐腐蚀材料，在强度和韧性等方面具
有优异的使用性能，因此在机器零件制造、制药和化工设备等领域得到了广泛的应用。由于不锈钢良好的塑性和一定的韧性及强度，导致加工硬化现象严重，易对刀
具切削刃口造成损伤。在高温下强度高、热传导率低，因此切削温度高，对刀具磨损影响很大，又因其延伸率大，极易形成积屑瘤。这对于不锈钢的加工、尤其是攻
丝带来了很大困难。为此，研制了一种表面注入Co离子的高速钢丝锥，并对刀具的结构参数进行合理选择。加工实践证明，这种新型丝锥能较好地完成不锈钢的攻
丝加工。
　　关键词　　不锈钢 高速钢丝锥 攻丝加工 涂层
　　1
丝锥结构参数的选择　　试验表明丝锥槽数对攻丝效果的影响较大。选用的三槽丝锥与四槽丝锥相比，其横截面的尺寸增大，丝锥强度得到提高，可有效防止丝锥在
攻丝扭矩的作用下折断，为增大前角和后角创造了有利的条件。此外，三槽丝锥的攻丝扭矩比四槽丝锥减小了10%，因此单位面积切削力也随之减小。
　
　由于攻丝切削力大，为减少丝锥的磨损速度，一般丝锥前角应取较小值。但是根据不锈钢材料的特性，其抗拉强度低，高温强度、延伸率和断面收缩率较大，攻丝
时切屑不易分离、卷曲和折断，切削变形大，攻丝扭矩大，切削温度高，为了减小切削变形和使切削轻快，应该适当增大前角，以增大容屑槽的面积，使不易卷曲和
折断的切屑能够暂存在容屑槽中，而不至因切屑堵塞造成丝锥折断或崩刃。为此选择γp=20°的较大前角。
全文下载不
锈钢攻丝用新型涂层丝锥的设计
 
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　　许庆顺
1,2黄云1 黄智2 周文1,2 王福明1,2 黄雪松1,2
　　（1重庆大学 2
重庆市材料表面精密加工及成套装备工程技术研究中心）
　　摘要　　介绍了超声波振动精密砂带磨削机理，通过超声波振动精密砂带磨削与普通
砂带磨削0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢的对比试验，弄清了超声波振动在砂带磨削过程中的作用。证明了超声波振动精密砂带磨削是加工不锈钢等难加工材料
的一种有效方法。
　　关键词　　超声振动 不锈钢 砂带磨削
　　1引言　　不锈钢是铬、镍为主要合金元素并适量加入钼、钨、钛或铌而
成的高耐蚀合金，由于不锈钢具有耐酸、耐碱、抗腐蚀等特性，因此被大量应用于食品、化工和造船行业。各种不锈钢中又以0Cr17Ni4Cu4Nb应用最为
广泛。0Cr17Ni4Cu4Nb延伸率和断面收缩率高，导热性差，弹性模量低，是一种典型的难加工材料。用普通砂袋磨削时，磨屑极易黏附在砂袋表面，使
磨粒市区切削作用，增大了砂带与磨削表面的摩擦，造成磨削力大、磨削温度高以及加工表面质量恶化。
　　超声振动砂带磨削是在砂带振动磨削的技术
上发展起来的一种新的精密砂袋磨削技术。它将开式砂带磨削和超声振动叠加起来，使得在砂带的每个振动周期中磨料与切屑都有一个脱离的瞬间，这时磨削液便发
挥润滑作用，可防止粘结区的形成，降低摩擦系数，减少摩擦力。此外，超声振动方向垂直于加工面，使砂带磨料冲击加工表面，并产生微细的裂纹，随着冲击不断
进行，微裂纹不断扩展最后成为粉末从工件上脱落，同时其他磨粒也会逐渐粉碎而最终失去切削能力。但是砂带的移动使新的磨粒又进入切削区，继续上述循环。这
种冲击磨削正是超声砂带磨削获得良好加工质量的重要原因。
全文下载超
声振动精密砂带磨削0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢的试验研究
 
歡
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No.13,Shiang Shang 2nd St., West Chiu Taichung,Taiwan 40356 http://www.tool-tool.com /
FAX:+886 4 2471 4839 N.Branch 5F,No.460,Fu Shin North Rd.,Taipei,Taiwan
S.Branch No.24,Sec.1,Chia Pu East Rd.,Taipao City,Chiayi Hsien,Taiwan
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文章来源：刀网论坛
　　边梅彦
　
　(河北凯森石化工程有限公司河北石家庄)
　　摘要　　随着科学技术的发展和机加工工艺水平的提高，不锈钢、淬火钢、高温合金钢等特殊材
料在生产中的应用越来越广泛。难加工材料的切削加工效果与切削刀具材料的合理选用有着密切的关系.正确选用合适的切削刀具材料，合理选择加工规范，对提高
工作效率，改善加工工艺性，更好的适应机械制造生产需求具有重要的意义.
　　关键词　　不锈钢 淬火钢 高温合金钢 硬质合金 切削加工
　
　随着科学技术的发展和生产需要。石油化工工业中常用不锈钢、淬火钢、高强度钢、耐热钢等难加工材料日益增多。在加工工艺方面，由于热喷涂、堆焊、电刷镀
技术的广泛应用，给金属切削加工也提出了新的课题。近年来我国新刀具材料的研制和应用取得了一定的成果，但是难加工材料的加工工艺性能仍是影响加工效果的
一个主要因素。实践证明，正确选用合适的切削刀具材料和加工规范，对提高工作效率，改善加工工艺性，更高地是机械制造生产需求具有重要的意义。
全
文下载难
加工材料的切削加工及刀具材料的选用http://tech.86cut.com/techfiles/file/ef6c3974-ccc4-4776-afec-5e999c40bbce.pdf
 
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文章来源：刀网论坛
　上海航天精密
机械研究所 郑巍 贾之明
　　摘要　　不锈钢因其强度高、弹性模量低等原因导致的难加工性，正越来越引起机械加工领域的关注。文中结合不锈钢异形
圆柱体零件的数控加工，对不锈钢零件的数控加工进行了理论性的探讨和总结，并重点介绍了不锈钢零件铣削工艺过程，以期为不锈钢零件的机加工一线人员提供帮
助。
　　关键词　　不锈钢 铣削 数控加工
　　1
引言　　尽管很多难加工材料的切削加工研究已取得长足的进步，但作为应用量较大的不锈钢材料，其实际加工过程仍然存在各式各样的问题。主要体现在以下两方
面：第一，不锈钢一般导热性差，切削温度高，导致刀刃在高温下切削性能下降;第二，不锈钢不但弹性模量小，且在高温下仍具有较高的强度，容易造成刀具快速
磨损或崩刃。
　　本文重点介绍了不锈钢零件铣削工艺的整个实施过程，在实际运用中可以为不锈钢加工领域的一线人员提供一定程度的帮助。
　
　2不锈钢材料的特点分析
　　材料被加工前，首先应了解其加工特性，对症下药，否则在切削过程中不但得不到理想的加工质量，而且还会造成刀具、
机床等的损伤。不锈钢的加工要注意以下几个因素：
　　a.一般不锈钢的机械性能
　　由于不锈钢中含有高量的铬、镍，使材料的机械性能
也有了很大改变。从各项机械性能指标综合看，不锈钢的机械性能明显高于一般钢材的⋯，因此，在一定程度上就形成了不锈钢难切削加工特
性。
　　b.韧性大，切屑不易被切离
　　金属切削过程中，塑性材料切屑的形成过程分为挤压、滑移、挤裂和切离四个阶段。由于不锈钢的
延伸率、断面收缩率和冲击值一般都偏高，在切削用量相同时，切不锈钢耗能比低碳钢一般都要高，切削温度自然也高。
　　c.高温强度高、硬度高
　
　不锈钢的特性之一就是高温强度高、硬度高。例如奥氏体不锈钢在温度高达700。C仍然不降低其机械性能。
　　d.切屑粘附性强，易产生刀瘤
　
　不锈钢材料韧性大，对其它金属材料的亲和力强[2]。
　　e.导热率低，切削热不能及时传散
　　传入刀具的热量可达20%，而加工
碳素钢时仅占9%，刀具的切削刃易产生过热，失去切削能力。
　　f.切屑不易折断
　　切削过程中切屑不易卷曲和折断。特别是镗孔、钻
孔、切断等工序的切削过程中，排屑困难，切屑易划伤已加工表面。在数控机床上切削不锈钢时，断屑与排屑是重点考虑的问题。
全文下载不
锈钢异形圆柱体数控铣削工艺研究http://tech.86cut.com/techfiles/file/8f14675a-0d1e-4f82-82f8-7339d49e5f82.pdf
 
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　　董红军，史
利军，年德立
　　(郑州航天电子技术有限公司，河南驻马店)
　　摘要　　分析了lCrl8Ni9Ti不锈钢冷加工螺钉耐
蚀性降低的原因，采用真空淬火、真空稳定化处理和化学钝化的综合工艺方法，对零件进行了处理，并通过中性盐雾试验考察了零件处理前后耐蚀性的变化。结果显
示，采用上述处理工艺恢复了零件的耐蚀性，确保了不锈钢电连接器耐环境性能的可靠性。
　　关键词　　不锈钢;冷加工;螺钉;真空淬火;真空稳定
化处理;化学钝化;耐蚀性
　　O
引言　　1Crl8Ni9Ti奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性，广泛应用于石油化工、冶金机械、仪器仪表、家用电器和五金制品等行业，随着海防型号武器系统
的发展，这种材料也被大量选用。我公司为海防型号配套的电连接器中，许多零件也选用了这种材料，但经过冷加工(如冷搓、冷挤)成形的零件，虽然经过化学钝
化处理，其耐盐雾性能仍远不能达到规范要求。如不锈钢电连接器M2.ICrl8Ni9Ti不锈钢锁紧螺钉经24—36
h中性盐雾试验后出现红色锈斑现象，产品不能及时交付，一个小零件却成了产品质量的一大障碍。为此，分析了其耐蚀性降低的原因并进行了耐蚀性恢复工艺试
验。
　　1 冷加工不锈钢耐蚀性降低原因分析
　　1Crl8Ni9Ti不锈钢锁紧螺钉毛坯料为冷拔钢丝，又经过冷搓成形，不论是冷拔
还是冷搓，二者都经过强变形，研究表明[1]态奥氏体不锈钢材料在设备的加工制造过程中发生变形，从而促使部分奥氏体组织转变为马氏体组织，即发生马氏体
相变;许淳淳等[2]研究发现，在同种冷加工方式下，变形量越大，马氏体相变量越大;同时在这个过程中由于机械做功要产生大量的热，从而导致零件局部温度
升高敏化，随后局部高温又处于缓慢冷却状态，导致少量碳化物析出，这样给1rl8Ni9Ti原本为纯奥氏体的不锈钢引人诱变和不稳定因素，使本来抗蚀能力
较强的单纯奥氏体转化为易腐蚀的奥氏体、马氏体和碳化物三相混合体。
全文下载冷
加工不锈钢螺钉耐蚀性的恢复http://tech.86cut.com/techfiles/file/9b9c70d3-4f80-4b20-be01-a04cc0415f51.pdf
 
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何謂薄膜沈積
在機械工業、電子工業或半導體工業領域，
為了對所使用的材料賦與某種特性在材料表面上以各種方法形成被膜（一層薄膜），而加以使用，假如此被膜經由原子層的過程所形成時，一般將此等薄膜沈積稱為
蒸鍍（蒸著）處理。採用蒸鍍處理時，以原子或分子的層次控制蒸鍍粒子使其形成被膜，因此可以得到以熱平衡狀態無法得到的具有特殊構造及功能的被膜。
薄
膜沈積是目前最流行的表面處理法之一，可應用於裝飾品、餐具、刀具、工具、模具、半導體元件等之表面處理，泛指在各種金屬材料、超硬合金、陶瓷材料及晶圓
基板的表面上，成長一層同質或異質材料薄膜的製程，以期獲得美觀耐磨、耐熱、耐蝕等特性。
薄膜沈積依據沈積過程中，是否含有化學反應的機
制，可以區分為物理氣相沈積（Physical Vapor Deposition，簡稱PVD）通常稱為物理蒸鍍及化學氣相沈積（Chemical
Vapor Deposition，簡稱CVD）通常稱為化學蒸鍍。
隨著沈積技術及沈積參數差異，所沈積薄膜的結構可能是『單晶』、『多
晶』、或『非結晶』的結構。單晶薄膜的沈積在積體電路製程中特別重要，稱為是『磊晶』(epitaxy)。相較於晶圓基板，磊晶成長的半導體薄膜的優點主
要有：可以在沈積過程中直接摻雜施體或受體，因此可以精確控制薄膜中的『摻質分佈』(dopant profile)，而且不包含氧與碳等雜質。
3-2
薄膜沈積機制
薄膜的成長是一連串複雜的過程所構成的。圖（一）為薄膜成長機制的說明圖。圖中首先到達基板的原子必須將縱向動量發散，原
子才能『吸附』(adsorption)在基板上。這些原子會在基板表面發生形成薄膜所須要的化學反應。所形成的薄膜構成原子會在基板表面作擴散運動，這
個現象稱為吸附原子的『表面遷徙』(surface
migration)。當原子彼此相互碰撞時會結合而形成原子團過程，稱為『成核』(nucleation)。
原子團必須達到一定的大小
之後，才能持續不斷穩定成長。因此小原子團會傾向彼此聚合以形成一較大的原子團，以調降整體能量。原子團的不斷成長會形成『核島』(island)。核島
之間的縫隙須要填補原子才能使核島彼此接合而形成整個連續的薄膜。而無法與基板鍵結的原子則會由基板表面脫離而成為自由原子，這個步驟稱為原子的『吸
解』(desorption)。PVD與CVD的差別在於：PVD的吸附與吸解是物理性的吸附與吸解作用，而CVD的吸附與吸解則是化學性的吸附與吸解反
應。
圖（一） 薄膜沈積機制的說明圖
3-3
物理氣相沈積（物理蒸鍍）（PVD）
       
PVD顧名思義是以物理機制來進行薄膜湚積而不涉及化學反應的製程技術，所謂物理機制是物質的相變化現象，如蒸鍍(Evaporation)，蒸鍍源由固
態轉化為氣態，濺鍍（Sputtering），蒸鍍源則由氣態轉化為電漿態。
       
PVD法係以真空、測射、離子化、或離子束等法使純金屬揮發，與碳化氫、氮氣等氣體作用，在加熱至400~600℃（1~3小時）的工件表面上，蒸鍍碳化
物、氮化物、氧化物、硼化物等1~10μm厚之微細粒狀晶薄膜，因其蒸鍍溫度較低，結合性稍差（無擴散結合作用），且背對金屬蒸發源之工件陰部會產生蒸鍍
不良現象。其優點為蒸鍍溫度較低，適用於經淬火－高溫回火之工、模具。若以回火溫度以下之低溫蒸鍍，其變形量極微，可維持高精密度，蒸鍍後不須再加工。表
（一）為各種PVD法的比較。
PVD蒸鍍法
真空蒸鍍
濺射蒸鍍
離子蒸鍍
粒
子生成機構
熱能
動能
熱能
膜生成速率
可提高
(<75μm/min)
純金屬以外很低
(Cu：1μm/min)
可提高
(<25μm/min)
粒
子
原子、離子
原子、離子
原子、離子
蒸鍍均勻性
複雜形狀
若
無氣體攪拌就不佳
良好，但膜厚分佈不均
良好，但膜厚分佈不均
小盲孔
不佳
不
佳
不佳
蒸鍍金屬
可
可
可
蒸鍍合金
可
可
可
蒸鍍耐熱化合物
可
可
可
粒子能量
很
低0.1~0.5eV
可提高1~100eV
可提高1~100Ev
惰性氣體離子衝擊
通常
不可以
可，或依形狀不可
可
表面與層間的混合
通常無
可
可
加熱（外加熱）
可，通常有
通常無
可，或無
蒸鍍速率10^-9m/sec
1.67~1250
0.17~16.7
0.50~833
表一 三種PVD法之比較
物
理氣相沈積(Physical Vapor
Deposition，PVD)是今日在半導體製程中，被廣泛運用於金屬鍍膜的技術。以現今之金屬化製程而言：舉凡Ti、TiW等所謂的反擴散層
(Barrier Layer)，或是黏合層(Glue
Layer)；Al之栓塞(plug)及導線(Interconnects)連接，以及高溫金屬如WSI、W、Co等，都使用物理氣相沈積法來完成。雖然
小尺寸的金屬沈積以化學氣相沈積為佳，但物理氣相沈積法可說在半導體製程上，仍扮演著舉足輕重的角色。
一般來說，物理氣相沈積法可包含下
列三種不同之技術：
(一) 蒸鍍(Evaporation)
(二) 分子束磊晶成長(Molecular Beam
Epitaxy，MBE)
(三) 濺鍍(Sputter)
表（二）為此三種方法之比較。由於濺鍍可以同時達成極佳的沈積
效率、大尺寸的沈積厚度控制、精確的成份控制及較底的製造成本。所以濺鍍是現今矽基半導體工業所唯一採用的方式，而且相信在可預見的將來，濺鍍也不易被取
代。至於蒸鍍及分子束磊晶成長之應用，現在大約皆集中於實驗室級設備，或是化合物半導體工業中。
性質
方法
沈
積速率
大尺寸厚度控制
精確成份控制
可沈積材料之選用
整體製造成本（COO）
蒸
鍍(Evaporation)
極慢
差
差
少
差
分子束磊
晶成長(MBE)
極慢
差
優秀
少
差
濺鍍
(Sputter)
佳
佳
佳
多
優秀
表二
三種物理氣相沈積法之比較
由於濺鍍本身受到濺射原子多元散射方向的影響，不易得到在接觸洞連續且均勻覆蓋(Conformal)的金屬
膜，進而影響填洞(Hole Filling)或栓塞(Plug-In)的能力；因此，現在濺鍍技術的重點，莫不著重於改進填洞時之階梯覆蓋率(Step
Coverage)，以增加Ti/TiN反擴散層/黏合層/濕潤層(wetting
Layer)等之厚度，或是發展鋁栓塞(Al-plug)及平坦化製程(Planarization)，以改善元件之電磁特性，並簡化製造流程，降低成本
等。
3-3-1 蒸鍍(Evaporation)原理
蒸鍍是在高真空狀況下，將所要蒸鍍的材料利用電阻或電子束加熱達到
熔化溫度，使原子蒸發，到達並附著在基板表面上的一種鍍膜技術。
在蒸鍍過程中，基板溫度對蒸鍍薄膜的性質會有很重要的影響。通常基板也須
要適當加熱，使得蒸鍍原子具有足夠的能量，可以在基板表面自由移動，如此才能形成均勻的薄膜。基板加熱至150℃以上時，可以使沈積膜與基板間形成良好的
鍵結而不致剝落。
3-3-2 濺鍍(Sputter)的原理
電漿(Plasma)是一種遭受部份離子化的氣體
(Partially lonized Gases)。藉著
在兩個相對應的金屬電極板(Electrodes)上施以電壓，假如電極板間
的氣體分子濃度在某一特定的區間，電極板表面因離子轟擊(Ion Bombardment)所產生的二次電子(Secondary
Electrons)，在電極板所提供的電場下，將獲得足夠的能量，而與電極板間的氣體分子因撞擊而進行所謂的?/span>解離
(Dissociation)?/span>，?/span>離子化(Ionization)?/span>，及?/span>
激發(Excitation)?/span>等反應，而產生離子、原子、原子團(Radicals)，及更多的電子，以維持電漿內各粒子間的濃度平
衡。（詳見表三）
1.分子分解　　(Molecular Dissociation)
ｅ^－+A₂→A+A+ｅ^－
2.原子電離　　(Atomic Ionization)
　　　　　　ｅ^－+A→A⁺+2ｅ^－
3.分子電離　　(Molecular Dissociation)
ｅ^－+A₂→A₂⁺+2ｅ^－
4.原子激發 (Atomic Excitation)
ｅ^－+A→A^*+ｅ^－
5.分子激發    (Molecular Excitation)
ｅ^－+A₂→A₂^*+ｅ^－
表三 二次電子與氣體分子之撞擊狀況
圖（二）顯示一個DC電漿的陰極電板遭受離子轟擊的情形。脫離電將的帶正電荷離子，
在暗區的電場加速下，將獲得極高的能量。當離子與陰電極產生轟擊之後，基於動量轉換(Momentum
Transfer)的原理，離子轟擊除了會產生二次電子以外，還會把電極板表面的原子給?/span>打擊?/span>出來，這個動作，我
們稱之為?/span>濺擊(Sputtering)?/span>
這些被擊出的電極板原子將進入電漿裡，然後利用諸如擴散
(Diffusion)等的方式，最後傳遞到晶片的表面，並因而沈積。這種利用電漿獨特的雕子轟擊，以動量轉換的原理，在氣相中(Gas
Phase)製備沈積元素以便進行薄膜沈積的PVD技術，稱之為?/span>測鍍(sputtering
Deposition)。?/span>基於以上的模型，測鍍的沈積機制，大致上可以區分為以下幾個步驟：
(1)
電漿內所產生的部份離子，將脫離電漿並往陰極板移動。
(2)
經加速的離子將轟撞(Bombard)在陰電極板的表面除產生二次電子外，且因此而擊出電極板原子。
(3)
被擊出的電極板原子將進入電漿內，且最後傳遞到另一個放置有晶片的電極板的表面。
(4)
這些被吸附(Adsorded)在晶片表面的吸附原子(Adatoms)，將進行薄膜的沈積。
圖（二）　　測鍍(Sputter)示意圖
3-3-3
離子化金屬電漿(Ionized Metal Plasma，簡稱IMP)
IMP技術，應用了較一般金屬測鍍高上10-100倍的電漿
密度。自1996
年由Applied Materials公司推出後，立即受到廣泛的注意。
       
IMP的基本示意圖，如圖（三）所示，這其中包含了一組傳統的磁式直流電源(Magnetion DC
Power)，以及另一組無線電頻率之交流電(RF Power)。由Magnetion DC
Power產生的電漿，用來將靶極上的金屬原子濺射出來。當這些金屬原子行經濺鍍室中的空間時，若通入較高的製程氣壓，則這些金屬原子便有大幅的機會，與
氣體產生大量碰撞，因而首先被?/span>熱激化?Thermally Activated)；若與此同時，施於RF
power之電磁震盪，因此加速這些金屬與氣體及電子間的碰撞，則便有大量的濺鍍金屬可被?/span>離子化?Ionized)，而不再如傳統濺
鍍的是中性原子，也因此IMP電漿密度會較一般濺鍍為高，大約是在1011至1012cm-3之間。這些離子化的濺鍍金屬，會因在晶圓台座上，所自然因電
漿而形成之自生負偏壓(Self-Bias)，而被直線加速往晶圓表面前進。如此一來，便可獲致方向性極佳的原子流量（換句話說，極優異的底部覆蓋率），
與不錯的沈積速率。此外，我們亦可在晶圓台座上選擇性地裝上另一組RF偏壓，以期達到更佳的底部覆蓋率，並且更可藉此改變沈積薄膜的晶體結構。
圖（三）　　IMP示意圖
如上所述，濺鍍
金屬被離子化的機率，取決於其停留在電漿中的時間。若停留時間愈長，則其被熱淚化與離子化的機率也愈大。通常由靶極被濺射下來的金屬原子，都帶有極高的能
量（-1到10eV）與極高的速度。這些高速原子在電漿中停留時間極短，便會到達晶圓表面，而無法被有效的離子化。因此IMP必須藉金屬原子與氣體之有效
碰撞，來減慢其速度，以增長其停留時間。也因此，IMP必須在較高的壓力下操作(~>10mtorr)，以便先增加金屬與氣體碰撞的機會。
與
傳統濺鍍相比，IMP有較低及更均勻分佈的電阻值，同時IMP亦可以沈積較少之厚度，仍可達到所需的底部覆蓋厚度。如此一來，不僅可直接減少金屬沈積的成
本，更因沈積時間亦得以縮短，整體的晶片產能率(Throughput)，將得以提高，所以製造成本(Cost of Owner ship ,
COO)將遠較傳統濺鍍為低。正因IMP的眾多優點，它已被眾多半導體公司寄予厚望，認為是可以運用於0.25μm以下世代的革命性製程。
3-3-4
未來PVD的發展趨勢
(1) 將PVD與CVD整合在同一系統上
隨著元件的尺寸繼續縮小，傳統的濺鍍方法已無法勝任小
於0.25μm的製程。前述的IMP，則可以提供一合適的新製程，以應用於下一代製程的需求。然而由於現今IMP
TiN製程尚未完全成熟，而嘗試利用IMP來沈積Al，則可能會因IMP的電漿溫度，接近Al的熔點，而有無法運用之憾。為了解決此一難題，相信CVD
TiN以及CVD Al將會有極大的可能，與IMP同時應用，而形成一完整的PVD/CVD整合系統。舉例來說，Ti/TiN的反擴散層，可以應用IMP
Ti及CVD
TiN在同一系統內，依序連續使用二個沈積室來加以完成。如此不僅不需使用各別的PVD及CVD兩套設備，更可因為製程未中斷暴露於大氣之中，而避免了界
面氧化、吸濕及微塵等問題，而提高了晶片的良率與元件的電性及可靠性。
(2) 發展低溫PVD製程，以保證低介電常數之介電化合物。
(3)
當線寬0.18μm以下的世代來臨時，銅製程是否能成功地取代鋁製程以及反擴散層Ta/TaN/Wn技術是否成熟？如上所述，均是未來非常值得研究而且迫
切需要發展的課題。
3-4 化學氣相沈積（化學蒸鍍）（CVD）
       
CVD是將反應源以氣體形式通入反應腔中，經由氧化，還原或與基板反應之方式進行化學反應，其生成物藉內擴散作用而沈積基板表面上。
       
CVD法係將金屬氯化物、碳化氫、氮氣等氣體導入密閉之容器內，在真空、低壓、電漿等氣氛狀況下把工作加熱至1000℃附近2~8小時，將所需之碳化物、
氮化物、氧化物、硼化物等柱狀晶薄膜沈積在工件表面，膜厚約1~30μm（5~10μm），結合性良好（蒸鍍溫度高，有擴散結合現象），較複雜之形狀及小
孔隙都能蒸鍍；唯若用於工、模具鋼，因其蒸鍍溫度高於鋼料之回火溫度，故蒸鍍後需重新施予淬火－回火，不適用於具尺寸精密要求之工、模具。
1.密閉容器　2.電熱爐　3.氣化器　4.固體氣化器　
5.回收槽　6.旋轉泵　7.液體排出泵
圖（四）　典型之CVD裝置示意圖
3-4-1       CVD原理
在
半導體製程上，CVD反應的環境，包括：溫度、壓力、氣體的供給方式、流量、氣體混合比及反應器裝置等等。基本上氣體傳輸、熱能傳遞及反應進行三方面，亦
即反應氣體被導入反應器中，藉由擴散方式經過邊界層(boundary
layer)到達晶片表面，而由晶片表面提供反應所需的能量，反應氣體就在晶片表面產生化學變化，生成固體生成物，而沈積在晶片表面。
3-4-2      
CVD反應機制
圖（四）顯示在化學氣相沈積程所包含的主要機制。其中可以分為下列五個主畏的步驟：(a).首先在沈積室中導入反應氣
體，以及稀釋用的惰性氣體所構成的混合氣體，『主氣流』(mainstream)、(b).主氣流中的反應氣體原子或分子往內擴散移動通過停滯的『邊界
層』(boundary
layer)而到達基板表面、(c).反應氣體原子被『吸附』(adsorbed)在基板上、(d).吸附原子(adatoms)在基板表面遷徙，並且產
生薄膜成長所須要的表面化學反應、(e).表面化學反應所產生的氣庇生成物被『吸解』(desorbed)，並且往外擴散通過邊界層而進入主氣流中，並由
沈積室中被排除。
圖（五）　學氣相沈積的五個主要機制：
(a).
導入反應物主氣流
(b).反應物內擴散
(c).原子吸附
(d).表面化學反應
(e).
生成物外擴散及移除
3-4-3  CVD的種類與比較
在積體電路製程中，經常使用的CVD技術有：(1).『大氣壓化學
氣相沈積』(atmospheric pressure CVD、縮寫APCVD)系統、(2).『低壓化學氣相沈積』(low pressure
CVD、縮寫LPCVD)系統、(3).『電漿輔助化學氣相沈積』(plasma enhanced
CVD、縮寫PECVD)系統。在表（四）中將上述的三種CVD製程間的相對優缺點加以列表比較，並且就CVD製程在積體電路製程中的各種可能的應用加以
歸納。
製程
優點
缺點
應用
APCVD
反應器結構簡單
沈
積速率快
低溫製程
步階覆蓋能力差
粒子污染
低溫氧化物
LPCVD
高
純度
步階覆蓋極佳
可沈積大面積晶片
高溫製程
低沈積速率
高溫氧化物
多
晶矽
鎢，矽化鎢
PECVD
低溫製程
高沈積速率
步階覆蓋性良好
化
學污染
粒子污染
低溫絕緣體
鈍化層
表四　各種CVD製程的優缺點比較及其應用
3-4-4
大氣壓化學氣相沈積系統
       
APCVD是在近於大氣壓的狀況下進行化學氣相沈積的系統。圖（五）是一個連續式APCVD系統的結構示意圖。圖中晶片是經由輸送帶傳送進入沈積室內以進
行CVD作業，這種作業方式適合晶圓廠的固定製程。圖中工作氣體是由中央導入，而在外圍處的快速氮氣氣流會形成『氣簾』(air
curtain)作用，可藉此氮氣氣流來分隔沈積室內外的氣體，使沈積室內的危險氣體不致外洩。
       
APCVD系統的優點是具有高沈積速率，而連續式生產更是具有相當高的產出數，因此適合積體電路製程。APCVD系統的其他優點還有良好的薄膜均勻度，並
且可以沈積直徑較大的晶片。然而APCVD的缺點與限制則是須要快速的氣流，而且氣相化學反應發生。在大氣壓狀況下，氣體分子彼此碰撞機率很高，因此很容
易會發生氣相反應，使得所沈積的薄膜中會包含微粒。通常在積體電路製程中。APCVD只應用於成長保護鈍化層。此外，粉塵也會卡在沈積室壁上，因此須要經
常清洗沈積室。
圖（六）　大氣壓化學氣相沈積(APCVD)系統結構示意
圖
3-4-5 低壓化學氣相沈積系統
低壓化學氣相沈積(LPCVD)是在低於大氣壓狀況下進行沈積。圖（六）是一個典型
的低壓化學氣相沈積系統的結構示意圖。在這個系統中沈積室(deposition chamber)是由石英管(quartz
tube)所構成，而晶片則是豎立於一個特製的固定架上，這是一種『批次型式』(batch-type)的沈積製程方式。這種系統是一個熱壁系統，加熱裝
置是置於石英管外。在LPCVD系統中須要安裝一個真空幫浦，使沈積室內保持在所設定的低壓狀況，並且使用壓力計來監控製程壓力。在『三區高溫爐』(3-
zone furnace)中溫度是由氣體入口處往出口處逐漸升高，以彌補由於氣體濃度在下游處的降低，所可能造成的沈積速率不均勻現象。
與
APCVD系統相比較，LPCVD系統的主要優點在於具有優異的薄膜均勻度，以及較佳的階梯覆蓋能力，並且可以沈積大面積的晶片；而LPCVD的缺點則是
沈積速率較低，而且經常使用具有毒性、腐蝕性、可燃性的氣體。由於LPCVD所沈積的薄膜具有較優良的性質，因此在積體電路製程中LPCVD是用以成長磊
晶薄膜及其它品質要求較高的薄膜。
圖（七）　低壓化學氣相沈積（LPCVD）系統結構示意圖
3-4-6 電漿輔助化學氣相沈積系統
電漿輔助化學氣相沈積（PECVD）系統使用電漿的輔助能量，使得沈積反應的溫度
得以降低。在PECVD中由於電漿的作用而會有光線的放射出來，因此又稱為『輝光放射』(glow
discharge)系統。圖（七）是一個PECVD系統的結構示意圖。圖中沈積室通常是由上下的兩片鋁板，以及鋁或玻璃的腔壁所構成的。臏體內有上下兩
塊鋁製電極，晶片則是放置於下面的電極基板之上。電極基板則是由電阻絲或燈泡加熱至100℃至400℃之間的溫度範圍。當在二個電極板間外加一個
13.56MHz的『射頻』(radio
frequency，縮寫RF)電壓時，在二個電極之間會有輝光放射的現象。工作氣體則是由沈積室外緣處導入，並且作徑向流動通過輝光放射區域，而在沈積
室中央處由真空幫浦加以排出。
       
PECVD的沈積原理與一般的CVD之間並沒有太大的差異。電漿中的反應物是化學活性較高的離子或自由基，而且基板表面受到離子的撞擊也會使得化學活性提
高。這兩項因素都可促進基板表面的化學反應速率，因此PECVD在較低的溫度即可沈積薄膜。在積體電路製程中，PECVD通常是用來沈積SiO₂
與Si₃N₄
等介電質薄膜。PECVD的主要優點是具有較低的沈積溫度；而PECVD的缺點則是產量低，容易會有微粒的污染。而且薄膜中常含有大量的氫原子。
圖（八）　電漿輔助化學氣相沈積系統的結構示意圖
3-5 
CVD與PVD之比較
1. 選材：
化學蒸鍍－裝飾品、超硬合金、陶瓷
物理蒸鍍－高溫回火之工、模具鋼
2. 蒸鍍溫度、時間及膜厚比較
化學蒸鍍－1000℃附近，2~8小時，1~30μm(通常5~10μm)
物
理蒸鍍－400~600℃，1~3小時，1~10μm
3. 物性比較
化學蒸鍍皮膜之結合性良好，較複雜之形狀及小孔隙都
能蒸鍍；唯若用於工、模具鋼，因其蒸鍍溫度高於鋼料之回火溫度，故蒸鍍後需重施予淬火－回火，不適用於具精密尺寸要求之工、模具。
不需強
度要求之裝飾品、超硬合金、陶瓷等則無上述顧慮，故能適用。物理蒸鍍皮膜之結合性較差，且背對金屬蒸發源之處理件陰部會產生蒸鍍不良現象；但其蒸鍍溫度可
低於工、模具鋼的高溫回火溫度，且其蒸鍍後之變形甚微，故適用於經高溫回火之精密工具、模具。
 
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BW
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FAX:+886 4 2471 4839 N.Branch 5F,No.460,Fu Shin North Rd.,Taipei,Taiwan
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source from the internet.
蝕刻是將材料使用化學反應或物理撞擊作用而移除的技術。
蝕
刻技術可以分為『濕蝕刻』(wet etching)及『乾蝕刻』(dry
etching)兩類。在濕蝕刻中是使用化學溶液，經由化學反應以達到蝕刻的目的，而乾蝕刻通常是一種電漿蝕刻(plasma
etching)，電漿蝕刻中的蝕刻作用，可能是電漿中離子撞擊晶片表面的物理作用，或者可能是電漿中活性自由基(Radical)與晶片表面原子間的化
學反應，甚至也可能是這兩者的複合作用。
在航空、機械、化學工業中，蝕刻技術廣泛地被使用於減輕重量(Weight
Reduction)，儀器鑲板，名牌及傳統加工法難以加工之薄形工件等之加工。在半導體製程上，蝕刻更是不可或缺的技術。
4-2
濕蝕刻(Wet Etching)
濕蝕刻是將晶片浸沒於適當的化學溶液中，或將化學溶淬噴灑至晶片上，經由溶液與被蝕刻物間的化學反應，
來移除薄膜表面的原子，以達到蝕刻的目的。濕蝕刻三步驟為擴散→反應→擴散出　如圖（一）所示
圖（一）　以濕式法進行薄膜蝕刻時，蝕刻溶液（即反應物）
與薄膜所進行的反應機制。
濕蝕刻進行時，溶液中的反應物首先經由擴散通過停滯的邊界層(boundary
layer)，方能到達晶片的表面，並且發生化學反應與產生各種生成物。蝕刻的化學反應的生成物為液相或氣相的生成物，這些生成物再藉由擴散通過邊界層，
而溶入主溶液中。
就濕蝕刻作用而言，對一種特定被蝕刻材料，通常可以找到一種可快速有效蝕刻，而且不致蝕刻其它材料的『蝕刻
劑』(etchant)，因此，通常濕蝕刻對不同材料會具有相當高的『選擇性』(selectivity)。然而，除了結晶方向可能影響蝕刻速率外，由於
化學反應並不會對特定方向有任何的偏好，因此濕蝕刻本質上乃是一種『等向性蝕刻』(isotropic
etching)。等向性蝕刻意味著，濕蝕刻不但會在縱向進行蝕刻，而且也會有橫向的蝕刻效果。橫向蝕刻會導致所謂『底切』(undercut)的現象發
生，使得圖形無法精確轉移至晶片，如圖（二）所示。相反的，在電漿蝕刻中，電漿是一種部分解離的氣體，氣體分子被解離成電子、離子，以及其它具有高化學活
性的各種根種。乾蝕刻最大優點即是『非等向性蝕刻』(anisotropic
etching)如圖（二）（C）所示。然而，(自由基Radical)乾蝕刻的選擇性卻比濕蝕刻來得低，這是因為乾蝕刻的蝕刻機制基本上是一種物理交互
作用；因此離子的撞擊不但可以移除被蝕刻的薄膜，也同時會移除光阻罩幕。
圖（二）　濕蝕刻與乾蝕刻的比較圖，圖中(a).蝕刻
前、(b).濕蝕刻、(c).乾蝕刻的剖面圖
圖（三）　薄膜經近似於非等向性蝕刻後的SEM照片
SEM(Scanning
Electron Micro Scope)掃描式電子顯微鏡
由於等向性且造成底切，因此濕蝕刻不適合高深寬比(Aspect
Ratio)及孔穴寬度(Cavity Width)小於2-3μm元件之蝕刻。
在航空、化學、機械工業中濕蝕刻就是化學加工
(Chemical Machining 簡稱CHM)，也可稱為化學蝕刻(Chemical Etching)。化學蝕刻包括
(1)
化學銑切(Chemical Milling)
如飛機翼板(Wing Skin)及引擎零件(Engine
Part)之減輕重量(Weight Reduction)如圖（四）所示
圖（四）　蝕刻後之飛機引擎零件
(2)
化學剪穿(Chemical Blanking)
光化學剪穿(Photo Chemical
Blanking)簡稱為光蝕刻(Photo
Etching)就是薄形元件在微影(Lithography)(光阻塗佈，曝光、顯像)後再加以蝕刻，其產品如圖（五）所示
圖（五） 蝕刻後之成品
(3)
化學雕刻(Chemical Engraving)
在儀器鑲板、名牌及其他傳統上，在縮放雕刻所製造或藉模壓印所生產的零件僅可利用化學
雕刻法完成。如圖（六）所示
圖（六）　示波器正面板上高細度雕刻
4-3
乾蝕刻(Dry Etching)
乾蝕刻通常是一種電漿蝕刻(Plasma
Etching)，由於蝕刻作用的不同，電漿中離子的物理性轟擊(Physical Bomboard)，活性自由基(Active
Radical)與元件(晶片)表面原子內的化學反應(Chemical Reaction)，或是兩者的複合作用，可分為三大類：
一、
物理性蝕刻：(1) 濺擊蝕刻(Sputter Etching) (2) 離子束蝕刻(Ion Beam Etching)
二、
化學性蝕刻：電漿蝕刻(Plasma Etching)
三、 物理、化學複合蝕刻：反應性離子蝕刻(Reactive Ion
Etching 簡稱RIE)
乾蝕刻是一種非等向性蝕刻(Anisotropic
Etching)如圖（七）所示，具有很好的方向性(Directional Properties)但比濕蝕刻較差的選擇性(Selectivity)
圖（七）　單晶矽之非等向性蝕刻
4-4
電漿(Plasma)
電漿是一種由正電荷（離子），負電荷（電子）及中性自由基(Radical)所構成的部份解離氣體
(Partially Ionized Gas)。
當氣體受強電場作用時，氣體可能會崩潰。一剛開始電子是由於『光解
離』(photoionization)或『場放射』(field
emission)的作用而被釋放出來。這個電子由於電場的作用力而被加速，動能也會因而提高。電子在氣體中行進時，會經由撞擊而將能量轉移給其他的電
子。
電子與氣體分子的碰撞是彈性碰撞。然而隨著電子能量的增加，最終將具有足夠的能量可以將電子激發，並且使氣體分子解離。此時電子與氣
體分子的碰撞則是非彈性碰撞，最重要的非彈性碰撞稱為『解離碰撞』(ionization
collision)，解離碰撞可以釋放出電子。而被解離產生的正離子則會被電場作用往陰極移動，而正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電子』。如此
的過程不斷連鎖反覆發生，解離的氣體分子以及自由電子的數量將會快速增加。一旦電場超過氣體的崩潰電場，氣體就會快速的解離。這些氣體分子中被激發的電子
回復至基態時會釋放出光子，因此氣體的光線放射主要是由於電子激發所造成。
4-5 濺擊蝕刻(Sputter Etching)
將
惰性的氣體分子如氬氣施以電壓，利用衍生的二次電子將氣體分子解離或激發成各種不同的粒子，包括分子、原子團(Radical)，電子、正離子等，；正離
子被電極板間的電場加速，即濺擊被蝕刻物，具有非常好的方向性（垂直方向），較差的選擇性，因光阻亦被蝕刻，被擊出之物質為非揮發性，又沈積在表面，困此
在VLSI中很少被使用。
4-6 電漿蝕刻(Plasma Etching)
利用電漿將蝕刻氣體解離產生帶電離子、分
子、電子以及反應性很強(即高活性)的原子團（中性基 Radical），此原子團與薄膜表面反應形成揮發性產物，被真空幫浦抽走。
電漿
蝕刻類似濕蝕刻，利用化學反應，具有等向性和覆蓋層下薄膜的底切(Under
Cut)現象，由於電漿離子和晶片表面的有效接觸面積比濕蝕刻溶液分子還大，因此蝕刻效率較佳。其系統設備示意圖如圖（八）
圖（八）　電漿蝕刻系統設備示意圖
RF電
源為13.56MHz之交流射頻電源(Radio Frequency)
4-7 反應性離子蝕刻(Reactive Ion
Etching 簡稱RIE)
最為各種反應器廣泛使用的方法，便是結合(1)物理性的離子轟擊與(2)化學反應的蝕刻。此種方式兼具非等
向性與高蝕刻選擇比等雙重優點，蝕刻的進行主要靠化學反應來達成，以獲得高選擇比。加入離子轟擊的作用有二：一是將被蝕刻材質表面的原子鍵結破壞，以加速
反應速率。二是將再沈積於被蝕刻表面的產物或聚合物(Polymer)打掉，以使被蝕刻表面能再與蝕刻氣體接觸。而非等向性蝕刻的達成，則是靠再沈積的產
物或聚合物，沈積在蝕刻圖形上，在表面的沈積物可為離子打掉，故蝕刻可繼續進行，而在側壁上的沈積物，因未受離子轟擊而保留下來，阻隔了蝕刻表面與反應氣
體的接觸，使得側壁不受蝕刻，而獲得非等向性蝕刻。如圖（九）所示
應用乾式蝕刻主要須注意蝕刻速率，均勻度、選擇比、及蝕刻輪廓等。蝕刻
速率越快，則設備產能越快，有助於降低成本及提升競爭力。蝕刻速率通常可藉由氣體種類、流量、電漿源及偏壓功率所控制，在其他因素尚可接受的條件下，越快
越好。均勻度是晶片上不同位置的蝕刻率差異的一個指標，較佳的均勻度意謂著晶圓將有較佳的良率(Yield)，尤其當晶圓從3吋、4吋、一直到12吋，面
積越大，均勻度的控制就顯的更加重要。選擇比是蝕刻材料的蝕刻速率對遮罩或底層蝕刻速率的比值，控制選擇比通常與氣體種類與比例、電漿或偏壓功率、甚至反
應溫度均有關係。至於蝕刻輪廓一般而言愈接近九十度越佳，除了少數特例，如接觸窗或介層洞(Contact Window and Via
Hole)，為了使後續金屬濺鍍能有較佳的階梯覆蓋能力(Step
Coverage)，而故意使其蝕刻輪廓小於九十度。通常控制蝕刻輪廓可從氣體種類、比例、及偏壓功率來進行。
圖（九）　非等向性蝕刻示意圖
電漿離子的
濃度和能量是決定蝕刻速率的兩大要素，為了增加離子的濃度，在乾式蝕刻系統設計了兩種輔助設備：(1)電子迴轉加速器(Electron
Cyclotron)，(2)磁圈(Magnet
Coil)。前者是利用2.54GHz的微波來增加電子與氣體分子的碰撞機率；而後者則是在真空腔旁加入一個與二次電子運動方向垂直的磁場，使得電子以螺
旋狀的行徑來增加與氣體分子的碰撞機率。
4-7 磁場強化反應性離子蝕刻　(Magnetic Enhanced RIE
簡稱MERIE)
       
MERIE是在傳統的RIE中，加上永久磁鐵或線圈，產生與晶片平行的磁場，而此磁場與電場垂直，因為自生電壓(Self
Bias)垂直於晶片。電子在此磁場下，將以螺旋方式移動，如此一來，將會減少電子撞擊腔壁，並增加電子與離子碰撞的機會，而產生較高密度的電漿，然而因
為磁場的存在，將使離子與電子偏折方向不同而分離，造成不均勻及天線效應的發生。因此，磁場常設計為旋轉磁場。MERIE的操作壓力，與RIE相似，約在
0.01~1Torr之間，當蝕刻尺寸小於0.５μm以下時，須以較低的氣體壓力以提供離子較長的自由路徑，確保蝕刻的垂直度，因氣體壓力較低，電漿密度
也隨著降低，因而蝕刻效率較差。所以較不適合用於小於0.5μm以下的蝕刻。
圖（十） 磁場強化RIE(MERIE)示意圖
4-8
電子迴旋共振式離子反應電漿蝕刻 (Electron Cyclotron Resonance Plasma Etching 簡稱ECR
Plasma Etching)
        ECR利用微波及外加磁場來產生高密度電漿。電子迴旋頻率可以下列方程式表示：
ω_e=V_e/r 
(1)
其中V_e是電子速度，r是電子迴旋半徑。另外電子迴旋是靠勞倫茲力所達成，亦即
                       
F=eV_eB=M_eV_e²/r  (2)
其
中，e是電子電荷，Me荷為電子質量，B是外加磁場；可得
                        r=M_eV_e/eB 
(3)
將(3)代入(1)可得電子迴旋頻率
ω_e=eB/M_e
當
此頻率ω_e等於所加的微波頻率時，外加電場與電子能量，發生共振耦合，因而產生高的密度電漿。
       
ECR的設備如圖（十一）所示，共有二個腔，一個是電漿產生腔，另一個是擴散腔。微波藉由微波導管，穿越石英或氧化鋁做成的窗進入電漿產生腔中，另外磁場
隨著與磁場線圈距離增大而縮小，電子便隨著此不同的磁場變化而向晶片移動，正離子則是靠濃度不同而向晶片擴散，通常在晶片上也會施加一個RF或直流偏壓，
用來加速離子，提供離子撞擊晶片的能量，藉此達到非等向性蝕刻的效果。
圖（十一）　電子迴旋共振電漿蝕刻示意圖
4-9
未來展望
當元件越做越小，(<0.18μm)，而晶圓尺寸愈來越大(>8吋)，蝕刻選擇率與均勻度就變得很重要。傳統
RIE因為操作壓力高，無法達到垂直側壁蝕刻，以及在大尺寸晶圓上不易維持良好的均勻度，將不再適用，取而代之的是高電漿密度電漿系統。這類電漿系統不但
能在極低壓下產生高密度電漿，並且能分別控制電漿密度與離子能量，減少離子轟擊損壞，在大尺寸晶圓上亦能保持良好的均勻性，提高生產良率。另外因為尺寸縮
小，使得蝕刻圖形高的高寬比(Aspect
Ratio)增加，再加上光阻的厚度將使得蝕刻更加困難，例如0.25μm寬的鋁線，厚度大約0.5μm，而光阻厚約原0.5~1μm，整個高寬比將高達
4~6，因此使用除了光阻以外的材料來作為遮罩，或稱為硬遮罩(Hard
Mask)來改善。另外，圖形間距越小或氧化層接觸窗的面積越小，蝕刻系統中的反應物或帶能量的離子無法到達接觸底部，或者反應的產物無法順利排出接觸窗
外，使得蝕刻速率降低。面積越小，此現象越嚴重，亦即所謂的微負載效應(Micro loading
Effect)。除此之外，如何減少電漿電荷導致損壞，使用淨電吸附夾具，使用多腔設計系統，均是未來蝕刻機趨勢。多腔設計可以避免相互污染，並增進生產
速率。使用靜電吸附夾具可以降低粒子污染，增進晶片冷卻效率，而減少電漿導致損壞可使製程上的設計變得更單純，並提高元件的可靠度。
Reference
(1) 半導體製程技術 文京圖書公司 張景學
(2) 積體電路製程技術 五南圖書公司 李世鴻
(3)
工業技術人才培訓計劃講義          VLSI製程概論 成功大學　電機系
(4) 微機電系統之技術現況與發展
工研院機械工業研究所
(5)  Fundamentals of MICRO FABRICATION Marc Madou
(6)
Micro System Technology and Micro robotics             S.Fatikow     
U.Remboed 高立圖書公司
 
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超音波加工 ( Ultra Sonic Machining 簡稱
USM )
東京大學生產技術研究所曾經用超音波加工，在玻璃、矽膠及陶瓷等硬脆材料上，成功鑽取了直徑5μm的微細孔穴（請參閱圖一）
首
先是用線放電研磨法(WEDG)在加工機具上形成微細的圓柱狀工具，接著讓該工具旋轉時，加工物件端會產生振幅1μm的超音波振動，最後再以次微米鑽石磨
粒控制加工作用力。因而藉由本加工方法可從事縱比2
之鑽孔加工。線放電研磨法(WEDG)是能夠製作微細工具的製作方法，它的精緻是能讓在加工機具上製作之工具自動的調整中心點，故發生偏心的機會極小。本
方法不僅能夠從事圓孔穴加工，亦可從事異形孔或三維形狀加工，應用範圍極為廣泛。
目前日本九州大學正在從事附有超音波振動小徑鑽孔加工之
切削機構，超音波振動對加工精度的影響效果，在傾斜面上孔穴加工的適用性，各種展延性材料上的適用性及直徑50μm等極小徑鑽頭適用效木進行研究，以下是
較為明確的研究成果。

由於有超音波振動的關係，除了因摩擦降低使切屑變薄並增加切排出速度外，更會因為鑽頭中心側及稜角側之
切屑排出速度差減少，故橫向捲繞切屑會變小，而且會形成平滑螺旋狀或帶狀的切屑，使切屑排出更為順暢，因而不需要分級進目即可從事深孔加工。

因
有超音波振動，故對仰制孔穴入口處鑽頭振韻振動有相當程度的效果。因此也不易產應變圓( Strain round
)藉著鑿尖鎚繫作用限制鑽頭，鑽頭笸加工物件間歇性接觸，降低鑽頭彈性變形恢復力及摩擦力，相對的也能減少徑向作用力的變動。

因增加
了超音波振動，在傾斜孔加工裡孔穴的應變也變小了。

藉由超音波振動，使用直徑60μm極小徑鑽頭從事不鏽鋼鑽孔加工變得更容易。

圖(一)
利用線放電研磨法()製作之微米刀具及在石英玻璃上加工成內徑5μm之微細孔的情形
5-2 微放電加工 ( Micro
Electrical Discharge Machining, 簡稱U-EDM )
一、加工原理
放電加工以一極當作
電極工具，加一極當作被加工的工件，兩極在保持微小的間隙中產生放電行為，藉由放電所引發的熱作用（電離、熔融、蒸發）及力學作用（放電、爆發力）以達到
加工的目的。目前，廣泛被應用於複雜3D形狀之模穴加工及特定形狀之加工（如齒形、尖角形狀、小R角形狀等?），通常放電加工可概分為幾種型態，其一為單
純之孔加工，其二為仿形加工（Sinking），其三為路徑加工（Scanning）。在應用為於精微產品或精微模具加工時，所應用的微放電加工主要是微
細孔放電及路徑加工為主。
將放電加工技術導入應用於微細加工之始祖為日本東京大學生產技術研究所之增澤隆久教授，他首創
WEDG（Wire Electrical Disch-arge
Grinding）之微細電極成形加工法，並以此微細電極搭配EDM機台之2.5D及3D
CAD/CAM控制，使此一微細電極可經由每一切層之2D路徑加工而達到加工3D形狀模穴之目的，其原理如圖(一)、圖(二)所示。
圖(一)WEDG示意圖
圖(二)微放電加工（μ-EDM）構造
二、實用實例
（一）微細孔加工
要以微放電加工完成微細孔加工，首
先需以WEDG加工微細電極，WEDG之加工方式與車床類似，wire類似於車刃
而電極相當於工件，以wire對電極本身進行放電加工，使電極尺寸縮小，而藉著電極之迴轉，形成一圓形斷面且具極小斷面之圓形細棒形電極，再以此電極進行
微細孔放電加工，目前前此種作法可達成之最小微細孔徑φ20μm之微細孔，而其深徑比則達10:1以上。
（二）微細溝槽加工
同
樣以WEDG加工完成之微細電極當做類似銑削之銑目，可做兩種方式之溝槽加工，其一為直接以此微細電極進行路徑式放電加工，其二則為利用做成具平切面之微
細電極當做微細銑目，一面旋轉切削，一面依路徑行進，而形成類似銑削加工之方式基本上這兩種方式皆可達成微細溝槽之加工，但在實用上或量產上而言，這兩種
加工方式，都有其待克服的問題，仍待後續研發去克服。
（三）3D形狀模具加工
有了2D之溝槽加工經驗之後，其本上3D模
穴之加工就工應用層切法之方式來達成，但在實用上仍有電極消耗補償，加工效率低等問題亟待克服，此外，如何製作更小直徑電極來加工以達到更小圓角之模穴形
狀，亦是有待努力之處。最近美國Nebraska-Lincoln大學即針對3D微放電加工進行一系列研究，並提出將均勻消耗法( Uniform
Wear Method )整合於CAD/CAM系統之作法，期使層切法之電極均勻消耗，並保持切削形狀之正確性。
5-3
線放電研磨加工( Wire Electrical Discharge Machining 簡稱WEDM )
要解決這種電極消耗問題
的方法之一，就是開發以行走的線來取代傳統以金屬塊做為電極的新方法。這就是線放電研磨(WEDG)
如圖(三)所示為線放電研磨的原理。
用直徑50μm~200μm的細金屬線來取代以往做為電極的金屬塊。金屬線在與紙面垂直的方向慢慢行走，被加工軸則一面回轉，一面往軸方向送入。
此
方法和線切割一樣，由於金屬線連續地被送出，形成經常以新的電極面來加工，即使電極消耗實際上是存在，對精度的影響還是很小到可以忽略的程度。
圖(三)微細電極製作法及利用放電來研磨電極的方法
如
果一開始將金屬線設定在所定的位置，軸徑也會自動地加工至所希望的值。也就是說，不必要像以往那樣經過反覆測家，以接近所希望的尺寸，現在利用此研磨技
術，已經可以加工直徑5μm電極。
WEDG之應用功能有：
（一）微放電加工（μEDM）用電極：通常採用逆放電加工法
（電極限制ψ50mm），材質大多使用鎢、超硬合金等。線放電研磨加工可容易加工ψ10mm以下之鎢或超硬合金電極。
（二）微鑽頭或微端
銑刀：微鑽頭之加工大多利用磨輪研磨製作，材質愈硬，其製作果難度愈高。線放電研磨加工可容易完成超硬合金微鑽頭或微端銑目之製作。
（三）
微沖切模具之微沖頭及母模加工，使用線放電研磨加工可容易達成，沖頭材質依其用途有工具鋼、超硬合金、燒結鑽石等。
5-4 微雷射加工(
Micro Laser Machining )
一、加工原理
如圖四所示為一典型雷射加工設備示意圖，由其中床台控制
X-Y軸之位置，Z軸透鏡之升降則可控制其聚焦深度。至於其加工方式概可分為兩大類：
（一）紅外線雷射：將材料表面物質加熱汽化（蒸
發），以除去材料之加工方式，故稱為熱加工。
1. CO₂雷射（波長10.6μm）
2.
Nd：YAG雷射（波長1.064μm）
圖(四)微雷射加工示意圖
（二）紫外線雷
射：直接將材料之分子鍵打斷，使分子脫離本體之加工方式，不會產生高熱，故習稱為冷加工。
1.
UV-YAG雷射：係將Nd：YAG雷射經非線性倍頻晶體轉換為波長532、355、266、213nm的紫外線雷射。
2.
準分子雷射( Eximer laser )
二、特性
不同之雷射加工方式，其所顯示之不同技術能力如下：
（一）
深徑比：
1. CO₂雷射：0.4~0.9：1，用於盲孔。
2.
UV-YAG：0.25~10：1，通孔、盲孔皆可。
（二）孔徑：
1. CO₂雷
射：150~350μm
2. UV-YAG雷射：25~150μm
（三）加工精度：以圓孔為例
1.
CO₂雷射：150μm（誤差5μm）
2. UV-YAG雷射：25μm（誤差2μm）
（四）加
工速度：
1. CO₂雷射：300孔／min
2. UV-YAG雷射：24000孔／min
（五）
適用對象：
如表（一）所示，各種不同之雷射加工方式，各有其不同之適用對象，對精微模具之3D加工而言，以ND：YAG(532nm)較
適合。
表（一）不同雷射源適用對象
雷射
工件材質
深徑比
最小橫向尺寸
結
構高度
對應產品
[μm]
[μm]
Nd:YAG(連續波)
不鏽鋼
>5
30
>150
生物晶片點片針
Nd:YAG(脈衝)
鎳鈦合金，矽
3-4
40~50
150
網套，植入物，儀器，致動器
Q-switch
Nd:YAG
董青石cordierite
10
50
500
電路板鑽孔
Nd:YAG(532nm)
碳化鎢
10
50
400
模
仁
準分子雷射
聚碳酸酯polycarbonate
50
2
100
細
胞培養器鑽孔
圖(五)  雷射微加工實例
5-5
電子束加工( Electro Beam Machining, 簡稱EBM )
利用電子束來加工，除了焊接之外，還有鑽孔及表面處理
等，無論那一種都是屬於利用高電功來加速電子束的熱加工。其中，鑽孔加工為將高能量密度的電子束照射在材料上，利用當時所產生的熱將材料熔融、蒸發，並加
以排除的加工法。這種加工法和其它加工法比，是一種相當優良的高速加工，同時具有高度的控制性及斜孔加工的特徵，可望代替現有的鑽孔加工，甚至能發展出更
新的用途。
利用電子束鑕孔，由開始直至鑽透為止。如圖（六）所示，其中有幾個過程存在。同時，電子鑽孔法為了獲得漂亮的貫穿孔，在工件底
下還敷有持定的輔助材料（墊襯）。
l 大約10KW/cm的，具有高密度集中能量的電子束照射在工件上開始先將局 部熔解。
l
塞滿蒸發物的空洞愈來愈深，並在其周圍產生熔融層。
l 電子束貫穿工件，一直到達輔助材料處為止。
l
輔助材料於瞬間氣化，產生很高的蒸氣壓，將貫穿孔的蒸發物及熔融層向外部飛散出去以完成鑽孔。
為了能正確鑽出特定孔徑以及深度的孔，通將
加速電功設為一定，而調整電子束電流（脈衝電流）以及照射時間。同時，加速度依孔經以及孔深來決定其上限，而孔徑、孔深愈增加，加工速度就愈降低。
電
子束鑽孔的特徵
電子束對材料的侵透力強，並富控制性，具有焦點深度深等特性，同時利用加工操控軸移動的自動控制，工以獲得如下的優點：
l
鑽孔非常快（最14000孔／秒）
l 孔的節距正確，可以獲得相當漂亮的孔。
l
可以鑽出斜角度的孔（對工件表面而言，最低可至20度）。
l 即使是複雜形狀的孔也能鑽。
l 幾乎所有的材料都能鑽孔。
電子束鑽孔之應用
l 大型微細過濾器
l 真空滾子
l 軟燥室
l
工業用微細濾網
此外，使用微細孔濾網的離心分離機、脫水機、自動過濾器、造粒機等都是電子束的用途。以往，孔徑0.3mm以下，而且板厚
0.5mm以上的濾網是不可能加工的。現在，利用電子束鑽孔就可以做到因此，電子束還可望開發更多新的用途。
圖（六）電子束鑽孔過程
5-6
電射加工（Laser Machining）
雷射加工在國內工業界的應用上已經相當廣逤，但使用的範圍多限制在以熱加工方式的紅外線雷射
上，本文探討紫外光雷射冷加工模式的技術，如微細鑽孔。
所謂的紫外光指的是波長約分佈在150~400奈米之間的光源，目前被使用在工業
應用上的紫外光雷射主要有兩種，第一種是氣態的準分子雷射(Excimer
Laser)另一種是利用Nd:YAG電射的光源經過非線性倍頻晶體轉換技術(nonlinear crystal
conversion)而將紅外光波長轉換成紫外光波長。
準分子雷射是利用兩種在常態下不起反應的氣體，但在激發能會結合成不穩定分子後
迅速解離而放出紫外光，取其『excited
dimer』的字面而成之為excimer雷射。一般工業上常用的種類主要包括XeC1(308nm)，KrF(248nm)，ArF(193nm)三種
波長的準分子雷射。準分子雷射是一種脈衝式的雷射，每個脈衝所能攜帶的電子束鑽孔加工成品如圖（七）所示。能量是目前所有紫外光雷射中最高的。從準分子雷
射是一種多模(Multi-mode)的雷射，一般輸出的雷射光束截面積約在數十個平方毫米，因此非常適合利用光罩做投影式的加工(Image
projection system)方式。
圖（七）電子束鑽孔加工成品
Nd:YAG
本身的波長為1064奈米(nanometer)，利用倍頻技術可將頻率做2倍、3倍、4倍甚至5倍的轉換，由於波長和頻率成反比，因此分別可得到
532、355、266及213奈米的雷射光波長，其中532為綠光，其餘的皆為紫外光，一般簡稱為UV YAG。UV
YAG和準分子雷射光的主要別在於倍頻技術是相當低效率的能量轉換方式，因此每個脈衝的能量通常都在1mJ以下，所能攜帶的能量相當的低，但由於UV
YAG 每個脈衝的時間比excimer小一個order（約4~7ns），因此還是有足夠高的尖峰脈衝功率來工作，再加上UV
YAG的脈衝頻率可達到1KH_Z以上，因此適合用在單點鑽孔(single hole
drilling)或直接刻寫(Direct writing)的工作模式上。
紫外光在鑽孔上的應用隨著電子工業越來越要求微小化的趨
勢，因其可達10μm直徑，1μm精度的鑽孔能力而越來越受重視。以目前印刷電路板的鑽孔而言，已經有很大的比例由UV
YAG的鑽孔機來取代，鑽孔速度快而精確。另外許多微小的過濾板，醫療用導管上的鑽孔等，都必須利用紫光雷射才能達到其要求。
以準分子雷
射而言，其最成功的鑽孔應用為噴墨頭上的噴墨板(inkjet nozzle
plate)的噴孔鑽孔應用。噴孔的要求要在Polyimide的TAB電路板上鑽出300個50μm或更小的微孔，利用準分子雷射的光罩投影式加工可以
在12秒內完成一組噴孔片的加工，而且良率可高達98%以上。
圖（七）準分子電射在Kapton-E上所鑽出的噴墨孔
CO₂雷
射加工與印刷基板
圖（八）所示為加工機的概念圖以及裝置例。由雷射振盪器來的雷射光束照射在光罩上，藉助控制鏡掃描，並利用具有F-☉特
性的轉映透鏡，使投影在印刷基板上，加工出依光罩上孔徑所規定的BVH。
鑽孔之際，工作台為靜止狀態，藉由控制鏡與f☉透鏡進行某一區域
的鑽孔。所採用的方式是鑽完該區域的孔後，再驅動工作口依序加工下一掃描區域的逐步與反覆(Step and
Repear)的方式，控制掃描的高速化：現在1000孔／秒的系統已經實用化。而且，藉由全像光學系統之採用，可編用4552孔／秒的速度做定形圖樣的
超高速加工。
圖（八）短脈衝CO₂雷射鑽孔加工
機概念圖
圖（九）BVH多層基板構造例
5-7
超精密加工( Ultra Precision Machining )
（一）加工原理
超精密加工主要係以超精密切削刀
具( Ultra Precision Cutting Tool, UPC
)來進行切削加工，通常此類目具係以單晶鑽石製成，單晶鑽石具有高硬度、優越的熱擴散性和被切削材之低親和性，可做成非常鋒利之切刃等優可適用於鋁、銅等
非鐵金屬或非金屬之超精宓切削。至於單晶鑽石之加工方法則有研磨、超音波加工、劈切割(
Cleaving)、鋸切（Sawing）、胴削（Bruting,
Girdling）、放電加工及雷射加工等不同方法，其加工原理及應用領域如表（二）所示。
（二）加工設備
目前所使用的
超精密加工，主要分為工件旋轉的車床型和目具旋轉的銑削型，兩者基本上都使用氣／液靜壓軸承、線性滑軌來做為旋轉部及直線移動部之結柟。並加裝雷射干涉或
光學尺的測長器，再配合精密控制器及滾珠導螺桿或線性馬達等驅動系統，才可成為高精度加工之超精密切削加工機。當然，此類機器要達到其加工精度，必須在防
振及溫度控制等方面特別加強。加工技術領域之比較如表（二）所示。
如表（二）加工技術領域之比較
加工種類
應
用領域
微放電加工
1.WEDG：微電極、微目具、微軸、微螺桿、微探針?
2.微孔加工：微噴嘴、濾光
板、光罩?
3.Micro Milling：微模具（模穴、模仁、沖頭）。
4.微沖壓：可整合微沖壓模具與沖頭成形、微
沖壓製程於同一機台上。
5.電鍍成形：微細噴嘴等管狀微結構製作。
微雷射加工
1.微鑽孔：印刷電路板
（PCB）、濾網、冠狀動脈網套?
2.微切割：冠狀動脈網套光罩、導線架?
3.微雕刻：醫療器材標記、導線標記?
4.
微細加工：3D立體模穴、微軸?
5.微焊接：二極體
超精密加工
1.光電元件：平面透鏡、繞射鏡片、
LCD導光板與菱鏡片、光纖連接器、微光柵
2.超精密模具：鏡片射出模?
3.精密軸加工：車用傳動軸、工具機主軸
4.
微細加工：3D立體模穴、微軸?
5.脆性材料加工：磁碟基板加工、晶圓切割?
（三）高速鑽削( High Speed
Milling, 簡稱HSM )
高速銑削是一項倍受矚目的潛力技術，這項技術從1990年日本理化學研究所發表每分鐘超越1000m的
切削試驗成果以來，即致力於模具生產現場的實用化而一直持續到現在。最近，使用直徑0.1mm以下之微小徑端銑刀的高速銑削被視為前途看好的加工技術，而
且已進入實用化，其切削加工面目前已經達到足以實現Ry1μm以下之高精度化的階段了。
然而，在提高切削加工之超精密化與微細化方面，還
有許多應該解決的問題點，例如具有數μm以下之振動精度的小徑端銑刀、在每分鐘超過100,000min^-1之高速旋轉下具有高夾
具剛性與振動精度的夾治具系統、以及在綜合加工機方面，具有高熱位移特性與振動精度等的高速旋轉主軸、動作靈敏的高速進刀機構、以及高定位精度等都是被要
求的項目。
在應用微小切削刀具於模具部品加工方面，若CNC加工機也能夠相對地適度縮小規格的話，將有利於達成包括讓進目動作敏捷以及因
應熱影響等高速與高精度化的目標，因此日本理化學研究所已開發出桌上型高速CNC銑床，圖(十)即是理化學研究所使用直徑0.6mm之端銑目的微細形狀之
切削加工實例。這些場合所使用的切削刀具其所要求的是像超硬合金、cBN燒結體、鑽石燒結體及單結晶鑽石等目具材質，以及目具的最適化設計。
圖(十)　小徑端銑刀之微細形狀加工例
（四）
微型工廠( Micro Factory )
讓機械微型化則是近年來全球努力的方向。為了因應環境的變化，使得微型工廠( Micro
factory
)和狹小部的點檢機械手臂等機械的微型化的需求由此而生，不只是這種新的需求，傳統的精密機器部品也開始訴求更高精度及更低成本的新製造法。
日
本通產省工業技術院機械技術研究院目前開發出的微車床32mm、深25mm、高30.5mm的製品，如圖(十一)所示。重量約100g，主軸驅動用馬達的
額定功率為1.5W，比起平常用的車床，尺寸約為1/50，重量在1/50000以下，額定功率在1/500以下。
它是由主軸驅動元件、
X-Y移動元件、刀架等3個元件組成。主軸驅動元件則是早個內徑4mm的滾動軸承所支撐主軸和DC微型馬達組入穀內後，所形成的構造。加工部品是利用和主
軸一起的夾具來夾持，刀具位置是固定的，加工時只需移動加工部品即可。
切削加工實例如圖(十二)所示，右側的黃銅棒其先端直徑為
100μm。左側黃銅棒的切削面表面粗度約1.5μm、圓度2.5μm，和普通的車床比較之下，大致都可以得同等的加工精度。相對於普通車床的主軸驅動用
馬達，其額定功率為1~3KW，本微型車床可以達到1.5W，可以節省很多的能源，而這也是它的優點之一。
圖（十一）　微車床之外觀
 
圖
（十二）　微車床之切削加工實例
四、微型工廠（Micro Factory）（MEL、FANUC集團及其他）
在「小東
西讓小機械製作」的概念下，通產省的產技策劃（產業科學技術研究開發制度）相關部門已著手研究「微型工廠（Micro
Factory）」等開發技術，也就是讓小型部品或設計，藉由小型生產系統來製作。以現在的生產系統而立，不管尺寸多小的產品，原則上還是由非常大的機械
在生產。例如手義、相機等小型精密機器都是由毫米級的部品所構成，可是這些產品卻是由公尺級的工作機械製造，生產線的長度竟也長達數十公尺。如果小型產品
可以用跟它差不多大尺寸的小型生產系統來製造，不但可以省下很多的能源、空間、資源、設備投資等，而且對於產品種類的變化也有對應的彈性，而這些都是小型
生產系統的優點。根據估算，如果將生產機械尺寸縮小為1/100左右。假設在保養品或化妝品店裡設置微型化學工廠，就可以立即製作客石所需要的化妝品和醫
藥品，由此可知微型工廠具有很大的彈性，而這也是一般工廠所沒有的。
圖(十三)為桌上型微型工廠的概念圖。它是由三個元件所柟成：以放電
或雷射光來進行微細部品加工，簡單組立的「加工組立平台」；在系統外則有供給加工部品的「部品供給平台」；以及組立這些部品的精密組立平台，而這些平台皆
由外部電腦所控制，系統大小大約是可以擺在桌上的尺寸。
日本工業技術院機械技術研究所已有試作過這樣的系統，尺寸為
50cm?/span>70cm的桌面，幾英吋的車床、銑床、沖壓機、搬送手臂、組立裝置等所配置的系統。此外，FANUC、SEIKO
Instruments Inc.等機械公司和7家電機公司也共同開發出微型工廠。在長約86cm、寬約1m的桌面，使用7個機械手臂（Robot
Arm）等超小型機械，製作直徑約1cm的小型齒輪箱（Gear Box）。圖(十四)是機械技術研院所提供的微型工廠照片。
 
圖
（十三）　桌上型微型工廠概念圖
 
圖（十四）　所提供的微型工廠照片
結語
生產機械和動
力機械的微小化是為了達到省能源、省資源、省空間等。很多微細機械雖然都有被試作過，但幾乎都還不能實現實用化，只到用單體的機械來確認動作的階段。雖然
要達到實用化將有更多的問題有待解決，而如何使其運用在實際的系統上，是今後待解決的課題。
在微細機械方面，有尺寸效應等特殊問題，為了
能克服這樣的問題，有效發展微細機械，微型物理學和微型摩擦學等的基礎研究就極為重要。而這些研究仍為起步階段，無法充分闡釋微觀世界的現象。我們期待今
後的研究能有更進一步的發展，讓成果反映在微細機械的設計製作上，也期待能在不久的未來實現微細機械的實用化。
5-8
電解拋光（Electrolytic Polishing）
所謂電解拋光，即是將工件放置陽極，於電解液中通電，在適當操作參數下，使工
件發生電解反應（亦稱反電鍍），工件表面而因電場集中效應而產生溶解作用，因而可達成工件表面平坦與光澤化之加工技術。電解拋光機制示意圖如圖（十五）所
示：
圖（十五）電解拋光機制示意圖
電解拋光技
術於1931年，由D.A.Jacquet發明採行。「電解拋光」技術可廣泛運用在半導體製程設備、化工、航太以及其他高精密等表面處理加工。
電
解拋光應用範圍：
(1) 可處理銅、黃銅、鉛、鎳、鈷、鋅、鍚、鋁、不銹鋼、鐵、鎢等材料。
(2)
電解拋光技術廣泛應用於半導體/LCD等級閥件、管配件、接頭、IGS之表面處理。
(3)
電解拋光可達鏡面級光澤，拋光後產品表面可達Ra=0.2~0.5μm。
(4) 不銹鋼電解拋光表面可生成鈍化層，有效提昇抗腐蝕能力。
電解拋光成品如相片（一）所示：
相片（一）電解拋光成品
工研院機研所，兩
年來，在沒有技術引進情況下，自行設計、開發夾治具、電解液和設立實驗室，摸索出世界最新穎的表面處理「電解拋光」關鍵技術。機械所目前已建立電解拋光實
驗室，擁有內外孔電解拋光設備，除開發閥件內孔電解拋光技術外，更將觸角延伸至管件內孔電解拋光高級技術發展，期能建立我國紮實的電解拋光加工能力。
近
年，國內半導體製造業蓬勃發展，但半導體製程設備工業卻遠遠落後，詳究其原因，主要在於國內缺半導體製程設備所需的精密表面加工技術。電解拋光應用於半導
體製程設備中的控制閥內流道、廠務配管流道、反應腔壁表面之處，凡與製程氣體接觸之處理都需要電解拋光加工處理，應用範圍多且廣。將電解拋光應用於半導體
製程設備的目的有三，一為可生成抗蝕鈍化層，二為可產生高度潔淨表面，三為可鏡面拋光降低粗糙度。為建立電解拋光操作參數，機械所是從電流密度、電壓、通
電時間、溫度、流速、電解液配方、比例、添加劑等，來了解其對鈍化抗蝕性的影響，並委託清華大學進行電解拋光試片抗蝕性研究，已實驗完成且有不錯的成果。
機械所在電解拋光高度潔淨表面研究方面，則從製程和步驟著手，包括前處理溶液清洗、鹼洗除油、酸洗除銹、電解液潔淨和控制、後處理化學清洗，以及在無塵室
進行超化學液配方、溫度、操作時間、角度等研究。
電解拋光效益（創造產值）：
(1)
為一具備機械、電控、熱流、材料化工高度整合性技術。
(2)
1999年時國內半導體業者需求與EP有關之閥件、管配件等零組件消耗品總金額為67.5億，其中EP技術產生價值約佔22%，總值約為15億。
5-9
化學機械拋光（Chemical Mechamical Polishing，簡稱CMP）
CMP機器之構造圖及製程示意圖如圖（十
六）及圖（十七）所示：
圖（十六）CMP機器構造簡圖
圖（十七）CMP製程示意圖
CMP是將工
件壓在旋轉之彈性襯墊（研磨墊）上，利用相對運動加工之拋光技術。將具有腐蝕性之加工液供給到工件上，當工件進行腐蝕加工（化學性）時，同時供給超微磨粒
（直徑100奈米以下）拋光（機械性）材料，對工件之凸部進行選擇性的拋光操作，故稱機（械）化學拋光或化學機械拋光。
在LSI往微細、
高積體化發展之同時，形成於矽表面之裝置構造也有多層化，其表面凹凸變大之傾向。為了實現多層化裝置之配線的高信賴性、高成功率，在裝置製造之過程中，每
一層表面之凹凸必須很平坦化（Planarization）。
平坦化過程之概念圖，如圖（十八）所示：
在矽晶片上所形成
內部配線之突出氧化膜部分，利用包含超磨粒拋光材之拋光襯墊進行拋光加工後，便會逐漸平坦。
圖（十八）平坦化過程之概念圖
化學機械研
磨（CMP）技術因其擁有全面平坦化（Global Planarization）的優勢，因此在近年來成為各大IC相關產業競相研發之技術。
傳
統的平坦化技術以Spin On Glass（SOG）和Resist
Etchback（REB）技術為主但在0.25μm以下IC製程SOG及REB技術並無法達到全面平坦化（Global
Planarization）的目標，因此極需尋找新平坦化技術，化學機械研磨技術經由IBM及Intel等公司積極研發，在近年來已成為全面平坦化的新
興技術。它不僅可以達成全面平坦化的目標，同時可增加元件設計的多樣性，如可將銅及鎢納入新元件設計中且可減少缺陷。圖（十九）乃各IC平坦化技術之比
較，由此圖可看出CMP在全面平坦化技術的優勢。
圖（十九）平坦化技術
圖（十五）說明積體電路不同製程的平坦化能力。以
積體電路產品16M（百萬）DRAM的晶方邊長在拾厘米以上，因此理想的平坦化距離也需要拾厘米以上長度，在製程上最早應用的硼磷玻璃回填（BPSG
Reflow）平坦化技術，除了高溫限制在金屬化前的使用外，平坦化距離僅能適合數微米長。旋塗玻璃(Spin on
Glass)是二層金屬連線製程最常使用的平坦化技術，其平坦化距離僅及10微米長。以沈積／蝕刻交替及電子迴旋電漿（ECR）沈積薄膜非常適合深次微米
製程中的填隙，如搭配化學機械研磨（Chemical Mechanical
Polishing）則可完全應用在多層連線的製造，以阻劑填平後蝕刻（Resist Etch
Back）的平坦化技術，因沒有塗佈玻璃材質的吸水性及有機物揮發等問題，故為美、日的主要積體電路製造商在高可靠度產品應用的平坦化技術。由於阻劑填平
的平坦化間距僅及百微米範圍，及綜合圖(十九)的比較，化學機械研磨就成為全面平坦化的最佳選擇。
0.25μm以下製程不可或缺之平坦化
設備，化學機械研磨機在中科院主導及相關業者之協又合作F商品化研磨機已進入市場。以
二氧化矽為主要成分的絕緣介質在CMP所使用的研磨劑目前Cabot公司所製造之研磨液系列產品為多數廠商所接受。Cabot公司能佔有研磨液，大部份市
場乃因其能自行製造之高純度且穩定性佳Sio₂粉末。同時Cabot公司擁有研磨液所需發展之技術即研磨粉末製造技術，研磨粉末分
散技術及研磨液配方投術。
研磨液乃是用來研磨二氧化矽介電層，BPSG介電層、淺溝隔絕層（Shallow Trench
Isolation）及Polysillicon薄膜層之研磨液。研磨液一般包含下列組成SiO₂研磨粉末（平均粒徑根據不同配方
約在100nm左右），固含量約10~30%，PH值約在9.0~11.0（由KOH或NH₄OH調整），以及去離子水約70%。
以介電薄膜研磨所使用之SiO₂研磨液為例，在PH值固定時，當研磨液的SiO₂研磨粉末
之含量或粒徑大小增加時，其研磨速率亦相對增加，如圖（二十）所示，然而若其增加比例過高，亦會刮傷薄膜表面。當PH值增加時，研磨速率亦會隨之增加，然
而額外之化學反應亦會提高，因而降低研磨薄膜之平坦度。
圖（二十）介電膜研磨速率與SiO₂研
磨劑組成之關係
而CMP技術所使用之研磨墊－PU
Pad，大體來說有兩種功能，一是研磨墊之孔隙度可協助研磨液於研磨過程輸送到不同區域，另一種功能乃是協助將晶片表面之研磨產物移去。研磨墊之機械性質
會影響到薄膜表面之平坦度及均勻度，因此控制其結構及機械性質是十分重要的。
研磨墊則是研磨劑外的另一個重要消耗材，由於積體電路製程的
目的是平坦化，異於傳統光學玻璃與矽晶圓的拋光作用。圖（十八）平坦化過程的示意圖，平坦化的作用即要將晶圓表面輪廓凸出部份削平，達到全面平坦化。理想
的研磨墊是觸及凸出面而不觸及凹面，達到迅速平坦化的效果。就研磨墊的應用言，其材料的化性需求較為單純，一般僅具備耐酸鹼，持久穩定即可。但在物性條件
則相當複雜。Rodel
的研磨墊Suba系列產品為美國Sematech等所評定，適合CMP製程應用。此Suba系列的材質為Polyurethane
Impregnated Polyster
Felts。上述的PU材料，具多孔性及一定的硬度。如圖（二十一）所示，研磨墊的壓縮性差異，形成不同的垂直與水平變形，軟性的研磨墊，因變形而容易觸
及凹面，形成平坦度較差的現象。Rodel另一系列的IC(品名)產品，具較低壓縮性，較高硬度的研磨墊，可以有效提昇平坦度的效果，但其均勻度的控制則
變差了。使用IC 1000/Suba
IV的組合墊則兼顧了平坦度與均勻度的效果，也就成為今日對氧化矽薄膜在CMP製程的主要研磨墊。穩定的製程除了選擇適當的研磨墊外，適當的保養則是必要
的過程。在研磨過程中，研磨墊表面材質也會耗損，變形。另外表面堆積的反應物也需妥當的排除。因此在使用中，如無適當的處理，研磨墊表面將呈現快速老化，
造成蝕刻率衰退等現象。為了解決研磨墊的老化問題，現代的CMP機台都具備『研磨墊整理器』，具備與研磨過程同步整理或定時整理的功能。
化
學機械研磨製程控制
                RR=Kp．P．V
其中RR為蝕刻率，P為晶圓上的施加壓力，而V
為相對線性速率。Kp則稱為Preston常數，此簡單的Preston方程式說明蝕刻率與壓力、線性速度成正比關係外，其他物性、化性及機械參數及特性
都隱藏在Preston常數內。在良好的機台參數控制下，一般氧化層膜的製程控制範圍都可適用Preston方程式。典型的例子如圖十所示。由圖上可以看
出氧化矽膜的蝕刻率與施加壓力呈正比的線性關係，另外在不同設定的轉速下亦都呈現正比的線性關係，其斜率則隨著轉速而增加。圖（二十二）即在固定的施壓
下，蝕刻率與平台轉速的關係。一般實驗結果可以得到線性但非正比關係。
圖（二十一）熱氧化矽薄膜的CMP蝕刻率與壓力關係圖
圖（二十二）熱氧化矽的CMP蝕刻率與磨盤轉速的關係圖
5-10
製程中電解削銳(Electrolytic In-Process Dressing，簡稱ELID研磨)
電子零件等功能材料之進步是
有目共睹的，但對於各種素材零件之加工精度要求則是愈來愈嚴格。其加工技巧之磨料加工技術的研磨、拋光方面，對於高效率、高精度、高品位、超精密、自動化
等之期望也很高，滿足其要求的加工技術之一為ELID研磨法。
       
ELID研磨法為金屬結合砂輪的削銳方法之一，利用電氣化學作用所產生之電解溶出現象，在研磨加工中也可以連續地進行削銳，以保持穩定的銳利度。
圖
（二十三）所示為平面磨床使用ELID研磨法時之示意圖。電解削銳是對與研磨加工無關之砂輪部份，在砂輪和電極之間產生電氣化學反應而進行的。
圖
（二十四）所示為ELID研磨時之砂輪表面狀態的示意圖。
(a) 為砂輪剛削正後之狀態。
(b)
為在研磨加工之前僅實施削銳操作，利用電解方式，使砂輪之結合劑溶解的狀態。
(c)
為隨著電解之進行，不導電薄膜產生，結合劑之溶解被抑制。
(d) 是由於加工之進行，磨料發生磨耗，不導電薄膜也被剝離之狀態。
(e)
是不導電薄膜變薄，導電性回復，結合劑之溶解再度開始，而露出磨粒。
由於這些作用之反覆進行，使砂輪可以保持良好的銳利度。
圖（二十三）使用ELID研磨法之平面磨床示意圖
 
圖（二十四）ELID研磨時之砂輪表面狀態示意圖
依據工研院微機電部H.Y.Lin及F.Y.Chang等人89年11
月1~2日發表於第四屆奈米工程暨微系統技術研討會之論文：
The Surface Morphology and
Sub-surface Characteristics of ELID-Ground Single Crystal Silicon.
利
用ELID鑽石磨輪研磨直徑300-400mm之矽晶圓，可獲得所期望的表面粗度與平坦度(flatness)其研磨結果則視電流、電壓、磨輪轉速、材
質、磨粒粗細、進給率及工作台轉速而決定。Nachi RGS20N ELID研磨機之示意圖如圖（二十五）所示：
 
圖
（二十五）Nachi RGS20N ELID研磨機示意圖
通常磨輪之磨粒越細，則研製工件之表面粗度越好，然而磨輪表面越容易被切屑
(Chip)堵塞而變成不銳利，因此必需定時停機清理削銳，如此一來就造成加工不方便及損失，因此Ohmori提供ELID研磨法，使得在研磨過程中，經
常保持磨輪在銳利狀態，因即可獲得穩定又理想之工件表面粗度。
相片（二）（三）（四）（五）（六）為利用AFM(Atomic
Force Micro Scope 電子力顯微鏡)、SEM(Scanning Electron Micro Scope
掃描電子顯微鏡)及HRTEM(High Resolution Transmission Electron Micro Scope
高解析度穿透式電子顯微鏡)在不同加工參數條件下所得到之矽晶片表面狀況之相片。
相片（二）ELID研磨之矽晶片　SEM（左）
AFM（右）相片
（#6000 Diamond ,Wheel ，30V, 20A,2000/400rpm,2μm/min）
相片（三）ELID研磨之矽晶片　HRTEM相片
（#6000
,30V, 20A,2000/400rpm,2μm/min[110]）
相片（四）ELID研磨之矽晶片　AFM相片
（#6000
,60V, 10A,3000/100rpm,8μm/min（左）,2μm/min（右））
相片（五）ELID研磨之矽晶片　HRTEM相片
（#6000
,60V, 10A,3000/100rpm,8μm/min[110]）
相片（六）ELID研磨之矽晶片　HRTEM相片
（#6000
,60V, 10A,3000/100rpm,8μm/min[110]）
由於磨輪進給率不同，晶片表面之狀況也稍微不同，如圖（十
三）所示，進給率為8μm/min時，在晶片表面產生10-30nm（奈米）之非晶形薄層(amorphous
layer)如圖（十四）所示，當進給率為2μm/min時，因磨耗較大，導致磨擦生熱，因此在晶片表面產生80μm之非晶形薄層，同時在基底下形成
200nm之差排薄層(dislocation layer)
Reference：
(1) 機械所無師自通電解拋光技術
經濟日報(88.11.28)
(2) 微細加工技術 復漢出版社
(3) 電解拋光技術 工研院機研所
(4) 
The Surface Morphology and Sub-surface Characteristics of ELID-Ground
Single Crystal Silicon.
H.Y.Lin and F.Y.Chang 
第四屆奈米工程暨微系統技術研討會之論文集
(5) MATERIALS AND PROCESSES IN
MANUFACTURING   E.Paul De Garmo
(6) VLSI 製程概論 陳志芳 工業技術人才培訓計劃講義
 
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奈米材料是一群原子和分子的組合，其研究主要是針對尺度在1~100nm
材料的製造技術和新材料性質的研究，奈米材料是現今奈米科技領域當中相當重要的一支，最早利用奈米材料來命名材料開始於20世紀的80年代，此時也將奈米
材料的顆粒尺寸定義為1~100nm，然而奈米材料的發展則更早於此時。1962年，日本久保等人對金屬超微粒子進行研究，提出相當著名的久保理論，即是
超微顆粒的量子限域理論，開啟探索奈米尺度超微顆粒的大門。
       
1987年，日本豐田研究所成功研發Nylon6和Clay的奈米高分子複合材料，從而開啟奈米材料的研究風潮。1990年7月在美國巴爾的摩舉辦國際第
一屆奈米科學技術學術會議，正式將奈米材料科學劃分為材料科學的另一全新分支。近年來，由於奈米材料表現出不同於以往傳統塊狀材料的物理特性，使得各國科
學家們對此現象大感興趣，並積極投入研發的工作。
由於材料科技是21世紀產業發展的原動力，也是整體產業之基礎，其中奈米材料科技，近年
來在科技先進的國家裡為新材料的創出，明顯地提供新的方法，不斷地推出創新產更為世人有目共睹。儘管奈米材料只不過是傳統材料經奈米技術處理，而獲得具有
化學上的表面與介面效應、光電磁學上的量子尺寸效應和小尺寸效應等獨特特性的材料而已。可是應用它，可使產品不但輕薄短小，更具省能源、高容量密度、高精
細、高性能、高功能和低公害卻是不爭的事實，可帶給傳統產業昇級，高科技產業持續發展和永續經營，為先進工業國家深信不疑，同時也引來舉世對奈米材料技術
的格外重視和熱烈投入，使得奈米材料在仕球各應用領域上均被視為前瞻材料，為新材料和次世代之光、電、磁元件的建構基石。毋庸置疑，材料科技朝奈米級尺度
發展已是大勢趨，並且已造成在歐美日形成一波又一波研究發展的熱潮。
當此之際，為了及時與我國優勢產業結合，迅速創新商品開拓商機，使我
國產業躍升高科技化成長，迎頭趕上歐、美、日，其中從著重奈米材料科技及其應用紹開始，普及全民認識奈米，推及快速造就更多的奈米材料科技人才蔚為國用，
為我國當前必要的科技重點工作之一，也是最快速的落實之道。
7-2 奈米材料的定義
奈米材料是奈米科學技術的基礎，正引
起世界各國的廣泛的關注。現代材料和物理學家所稱的奈米材料是指固體顆粒小到奈米(1奈米=10^-9米)尺度的奈米微粒子(也稱之
為奈米粉)和晶粒尺寸小到奈米量級的固體和薄膜。奈米材料又稱為超微顆粒材料，由奈米粒子組成。奈米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1~100nm間的
粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區域，從通常的關於微觀和宏觀的觀點看，這樣的系統既非典型的微觀系統亦非典型的宏觀系統，是一種典型的介觀系
統，它具有表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應。同時顯示出許多奇異的特性，即它的光學、熱學、電學、磁學、力學以及化學方面的性質和大塊固體時相比
將會有顯著的不同。
7-3 奈米材料結構
除了尺寸的限制之外，奈米材料在結構上可以分為以下三種形式：顆粒狀(代表零維
奈米材料，0D)、柱狀或線狀(代表一維奈米材料，1D)以及層狀(代表二維奈米材料，2D)。舉例來說，為何稱『一維』奈米材料？因為該材料在空間的三
個維度中，有一個維度的長度並不一定局限於奈米尺度。同理，零維奈米材料代表其三維都受限於奈米大小。而二維奈米材料代表材料的三維尺度之中，有一維(快
就是厚度)必須局限於奈米大小。
7-4 奈米材料的種類
大致可分為奈米粉末、奈米纖維、奈米薄膜、奈米塊體等四類。其中
奈米粉末開發時間最長、技術最為成熟，是生產其他三類產品的基礎。
(1) 奈米粉末(Nano Powder)
又稱為超
微粉或超細粉，一般指粒度在100奈米以下的粉末或顆粒，是一種介於原子、分子與宏觀物體之間處於中間物態的固體顆粒材料。可用於：高密度磁記錄材料；吸
波隱身材料；磁流體材料；防輻射材料；單晶矽和精密光學器件拋光材料；防輻射材料；單晶矽和精密光學器件拋光材料；微晶片導熱基片與布線材料；微電子封裝
材料；光電子材料；先進的電池電極材料；太陽能電池材料；高效催化劑；高效助燃劑；敏感元件；高韌性陶瓷材料(摔不裂的陶瓷，用於陶瓷發動機等)；人體修
復材料；抗癌制劑等。
(2) 奈米纖維(Nano Fiber)
指直徑為奈米尺度而長度較大的線狀材料。可用於：微導
線、、微光纖(未來量子計算機與光子計算機的重要元件)材料；新型鐳射或發光二極管材料等。如奈米碳管；奈米纖維；奈米柱等。
(3)
奈米薄膜(Nano Film)
奈米膜分為顆粒膜與緻密膜。顆粒膜是奈米顆粒粘在一起。中間有極為細小的間隙的薄膜。緻密膜指膜層緻密但
晶粒尺寸為奈米級的薄膜。可用於：氣體催化(如汽車尾氣處理)材料；氣體感測材料；過濾器材料；高密度磁記錄材料；光敏材料；平面顯示器材料；超導材料
等。
(4) 奈米塊體(Nano Bulk)
是將奈米粉末高壓成型或控制金屬液體結晶而得到的奈米晶粒材料。主要用途
為：超高強度材料；智慧金屬材料等。
對奈米材料的認識才剛剛開始，目前還知之甚少。從個別實驗中所看到的種種奇異性質，說明這是一個非常
誘人的領域，對奈米材料的開發，將會為人類提供前所未有的有用材料。
7-5 奈米材料的特性
(1) 特殊的光學性質
當
黃金被細分到小於光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上，所有的金屬在奈米微顆粒狀態都呈現為黑色。尺寸越小，顏色越黑，銀白色的鉑
變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬奈米微顆粒對光的反射率很低，通常可低於1%，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個特性可以作為高效率的光
熱、光電等轉換材料，可以高效率地將太陽能轉變為熱能、電能。
微粒尺寸縮小時，光吸收度或微波吸收度都顯著增加，並且產生吸收峰等離子的
共振頻移，產生新的光學特性，如對紅外線有吸收和發射作用，但對紫外線有遮蔽作用等，不同粒徑材料的遮蔽力將隨光波長大小而有所不同。
(2)
特殊的熱學性質
固態物質在其形態為大尺寸時，其熔點是固定的，超細微化後卻發現其熔點將顯著降低，當顆粒小於10奈米量級時尤為顯著。
例如，金的常規熔點為1064度C，當顆粒尺寸減小到10奈米尺寸時，則降低27度C，2奈米尺寸時的熔點僅為327度C左右;銀的常規熔點為670度
C,而超微銀顆粒的熔點可低於100度C。因此,超細銀粉製成的導電漿料可以進行低溫燒結，此時元件的基片不必採用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑膠。
奈
米材料表面原子的振幅約為內部原子的1倍，著粒徑逐漸減小，表面原子的比例也逐漸日增，奈米材料的熔點將會降低。奈米微粒在低溫時，其熱阻很小，熱導性極
佳，可做為低溫導熱材料。
(3) 特殊的磁學性質
人們發現鴿子、海豚、蝴蠂、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細菌等生物中存在
奈米微的磁性顆粒，這生物在地磁場導航下能辨別方法，使這類生物在地磁場導笐下能辨別方向，具有回歸的本領。磁性奈米微顆粒實質上是一個生物磁羅盤，生活
在水中的趨磁細菌依靠它遊向營養豐富的水底。通過電子顯微鏡的研究表明，在趨磁細菌體內通常含有直徑約為20奈米的磁性氧化物顆粒。
由於
奈米材料的小尺寸效應，使得磁有序態轉變成磁無序態，超導相轉變為正常相，因而產生新的磁學特性。當顆粒粒徑減小時，其磁化率隨溫度降低而逐漸減少。像是
鐵－鈷－鎳合金這樣的強磁性材料的奈米微粒，其信號雜訊比極高，可供做為記錄器使用。
(4) 特殊的力學性質
陶瓷材料在
通常情況下呈脆性，然而由奈米微顆粒壓製成的奈米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因為奈米材料具有大的介面，介面的原子排列是相當混亂的，原子在外力變形的條
件下很容易遷移，因此表現出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學性質。
由於奈米材料表面原子的配位不足，再加上極強的凡
得瓦力的作用下，使得奈米複合材料的強度、耐磨性、韌性、耐壓性、抗老化性、緻密性與防水性等特性大為增加和改善。
7-6
奈米材料的物理效應
(1) 小尺寸效應
指當材料隨奈米化，大小趨向奈米尺寸，導致其對光、電磁、熱力學、聲等物性展現跟
其塊材(bulk materials)時不同的效應。諸如大多數的金屬材料為之光吸收顯著增加、矯頑力(coercive
force)增加、熔點下降。
(2) 表面效應
指當材料隨奈米化，大小趨向奈米尺寸，其表面原子數隨之增多，比表面積隨
之增加，為之表面能亦增加而活性提高的效應。諸如一些金屬或金屬氧化物為之很容易跟其他原子結合，曝露在空氣中會吸附氣體，並進行反應，甚而自燃。
(3)
量子尺寸效應
指當材料隨奈米化，大小趨向奈米尺寸，一材料如金屬和半導體其價帶(valence band)和能帶(energy
band)的帶隙會為之變寬的效應，向展現絕緣性。
(4) 量子穿隧效應
指當材料隨奈米化，大小趨向奈米尺寸，一些材料
的奈米粒子而具有貫穿能障(barrier)能力的效應。
(5) 庫倫堵塞效應
指當材料隨奈米化，大小趨向奈米尺寸，一
些材料如金屬和半導體呈現充放電和放電過程是不連續的效應。換言之，電流隨電壓的上升不再呈現直線上升，而階梯式上升。
7-7
奈米材料的製備方法
奈米材料依類型可大致分為奈米微粒、奈米纖維、奈米薄膜和奈米塊體四種，其中奈米薄膜和奈米塊體皆來自於奈米微粒，因
而奈米微粒的製備更相當重要。奈米微粒的製備方法大致可分為物理和化學兩種製備方法。物理製備方法可區分為：氣相冷凝法、機械球磨法、物理粉碎法、熱分解
法、超臨界流體法等；化學製備方法則可區分為：化學氣相沈積法、溶膠凝膠法、微乳液法、聚合物接枝法、化學沈澱法、水熱合成法、電弧電漿法、聲化學方法
等。
(一) 奈米微粒子的物理製備方法
(1) 氣相冷凝法
用真空蒸發、加熱、高頻感應等方法使原料氣化
或形成等粒子體，然後驟冷。其特點純度高、結晶組織好、粒度可控，但技術設備要求高。
(2) 物理粉碎法
通過機械粉碎、
電火花爆炸等方法得到奈米粒子。其特點操作簡單、成本低，但產品純度低，顆粒分佈不均勻。
(3) 機械球磨法
採用球磨方
法，控制適當的條件到純元素、合金或復合材料的奈米粒子。其特點操作簡單、成本低，但產品純度低，顆粒分佈不均勻。
(4) 熱分解法
利
用加熱到高溫的方式將複合物分解以製備奈米複合材料，如在真空狀態下，以約300度C的高溫熱分解複合物Si₈O₁₂H₆．(CoCCo₄)₂可
得到包含有Co₂C奈米微粒的非晶體矽複合材料。
(二) 奈米微粒子的化學製備方法
(1)
化學氣相沈積法
利用金屬化合物蒸氣的化學反應合成奈米材料。其特點產品純度高，粒度分佈窄。
(2) 沈澱法
把
沈澱劑加入到鹽溶液中反應後，將沈澱熱處理得到奈米材料。其特點簡單易行，但純度低，顆粒半徑大，適合制備氧化物。
(3) 水熱合成法
高
溫高壓下在溶液或蒸汽等流體中合成，再經分離和熱處理得奈米粒子。其特點純度高，分散性好、粒度易控制。
(4) 溶膠凝膠法
金
屬化合物經溶液、溶膠、凝膠而固化，再經低溫熱處理而生成奈米粒子。其特點反應物種多，產物顆粒均一，過程易控制，適於氧化物和II~VI族化合物的制
備。
(5) 微乳液法
兩種互不相溶的溶劑在表面活性的作用下形成乳液，在微泡中經成核、聚結、團聚、熱處理後得奈米粒
子。其特點粒子的單分散和介面性好，II~VI族半導體奈米粒子多用此法制備。
7-8 奈米材料之特性與用途
7-9 奈米材料之市場
7-10 結語
未來數年，在我國的奈米型
國家計劃推動，產官學的通力執行下，預料奈米材料科技研發將會是百家爭鳴。預期不論是奈米材料應用於奈米粒子、奈米薄膜、奈米元件、塊狀材料等方面，其基
本合成的加工處理方法，或在期間保持其奈米結構與物化性質的穩定性，都將獲得進步改善。另外在奈米材料及元件的量產與製程控制力，也將從掌握製程、結構與
性能間的關係，和統計方法的協助作進一步提升。同時在奈米材料的分析及多尺度模擬方面，也將落實學術研究和產業研究及生產應用。在奈米材料的跨領域特性
下，相關材料教育理念與課程設計及人才培訓，也會與時蛻變，走向e-learning時代，學術界和產研界彼此相互支援，與產業界相輔相成，共創雙贏。
奈
米材料的應用範疇相當廣泛，由於各種不同的奈米材料都具備各自的獨特效應，因而導玫其處在外加場(如電場、磁場等)的作用下，會呈現不同的特異性能，可應
用於高性能催化劑、超導材料、吸波材料(隱形材料)、複合材料、發光材料、特殊塗料、磁記錄材料、以及醫用材料等經濟價值相當高的領域方面。由於奈米材料
表現出不同於以往傳統塊狀材料的物理特性，世界各先進國家皆將奈米技術列為關鍵重點開發技術。由於未來不論傳統產業或是高科技產業，都非常需要奈米材料來
加以配合，奈米材料的研究則必須要從基礎研究開始慢慢達到所需的要求。我國現階段具備相當多半導體和微電子工業的實力，未來幾年奈米材料和科技領域的發
展，將是攸關我國未來是否具備全球競爭力的重要關鍵。
 
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奈米碳管是在碳簇研究的剌激之下而誕生的,是只由碳原子所形成的碳的新物
質。奈米級的圓筒狀結構。具有特微為碳原子螺旋狀排列之一般物質沒有的特徵。因此，它表現出電的特性、拉張強度、復原性、熱導性等等優異的特徵，從基礎科
學到工業的應用遍及廣泛的領域，皆受到學者相當大的注意，因此研究有突飛猛進的發展。
8-2 奈米碳管之發現
在奈米材料
裡，奈米碳管(見圖一)是最知名的一種奈米材料。奈米碳管的中空結構是第三種純碳結構，此種中空結構稱之為『碳簇』。第一種純碳結構是石墨結構，第二種是
鑽石結構。在介紹奈米碳管前先介紹碳六十(見圖二)
圖一　奈米碳管
圖二　C-60分子結構圖
       
碳六十原是太空中所發現的物質，一九八五年英國化學家柯爾托成功解出碳六十的結構；美國化學家史莫利首先於地球用雷射激光在石墨上製造出碳六十，另一位德
國化學家柯爾特舒馬可以一之製造出數克重的碳六十，後來這三位化學家合拿了一九九七年的諾貝爾化學獎。
       
碳六十顧名思義為六十個碳原子娋成的中空體，其直徑僅為一奈米長。碳六十因其形狀剛好像一顆足球，故又稱Buckyball，可稱為奈米世界的足球。
       
爾後，科學家們又製造出碳七十(見圖三)、碳八十四，甚至碳一百多的碳球。
圖三　C-70分子結構圖
       
一九九一年一月，日本NEC公司基礎研究實驗室的飯島澄男用碳電弧放電法合成碳六十分子時，發現一些針狀物，利用高解析穿透式電子顯微鏡(High
Resolution Transmission Electron Microscope,
HR-TEM)觀察這些針狀物，發現針狀物為奈米級大小的多層同軸中空的碳管，現在我們稱之為多層奈米碳管(Multiwall Carbon
Nanotube, MWCNT，圖四)。爾後一九九三年，又發現單層奈米碳管(Single wall Carbon Nanotube,
MWCNT，圖一)。飯島澄男的重要發現馬上引起各國、各個科技方面的研究人員的注目，從而探討了解奈米碳管的特殊結構與優良性質。
圖四　多層奈米碳管
8-3 奈米碳管之結構
採用高解析電鏡技術對碳奈米管的結構研究證，明多奈米碳管一般由幾個到幾十個單壁碳奈米管同軸構成，管間距為0.34nm左右，這相當於
石墨的{0002}面間距，碳奈米管的直徑為零點幾奈米至幾十奈米，每個單壁管側面由碳原子六邊形組成，長度一般為幾十奈米至微米階，兩端由碳原子的五邊
形封頂，單壁碳奈米管可能存在三種類型的結構，分別稱為臂奈米管、鋸齒形奈米管和手性形奈米管，如圖五所示，這些類型的碳奈米管的形成取決於原子的六角點
陣二維石墨片是如何?#25458;起來?#24418;成圓筒形的。
圖五　三種類型的碳奈米管
不同類型可依據
一個碳奈米管的單胞來進行解釋，圖六中示出的OAB’B方框為碳奈米管的一單胞，手性矢量和為單位矢量，n和m為整數，手性角為手性矢量與之間的夾角，在此圖中n=4,
m=2[(n,m)=(4,2)]，為了形成奈米管，可以想像，這個單胞OAB’B被捲起來，使O與A,B與B?#30456;重合，端部用二分之一富勒
烯封頂，從而形成碳奈米管。不同類型的碳奈米管具有不同的m,n值。
圖五　(n,m)=(4,2)時，二維石墨片上形成碳奈米管
的單胞示意圖
當石墨片捲起來形成奈米管的圓筒部分，手性矢量的端部彼此相重，手性矢量形成了奈米管圓形橫截面的圓周，不同的m和n值導致
不同奈米管結構。
碳奈米管的性能由它們的直徑和手性角來確定，而這兩個參數又取決於n和m值，直徑為石墨片上近鄰碳原子的間距，
        當 n=m, 時形成單臂奈碳管(armchair nanotube)
          
n=0或m=0, 則為鋸齒形奈碳管(zigzag nanotube)
          
n=0或m=0, 時則為手性奈碳管(chiral nanotube)
       
奈米碳管可為金屬性或半導體的，有1/3小直徑的CNT是金屬的，而其餘為半導體。一般當(n-m)=3i
(i為整數值)時，這種(n,m)奈米碳管為金屬性的，所有的單臂CNT是金屬性的，手性和鋸齒奈米管中，部份為金屬性，部份為半導體性。
8-4
奈米碳管的特性
碳奈米管具有與金剛石相同的導熱和獨特的力學性質，其抗張強度比鋼的高100倍；楊氏模數高達
1TPa左右；延伸率達百分之幾，並具有良好的可彎曲性；單壁奈米碳管可承受扭轉形變並可彎成小圓環，應力邱除後可完全恢復到原來狀態；壓力不會導致碳奈
米管的斷裂，這些十分優良的力學性能使它們有潛在的應用前景，例如，它們可用作複合材料的增強劑。
l Unique
structure / geometry:
Diameter: 1-50nm; length: 1-10micron
Closed
hollow tube
Structural perfection (in principle)
l Excellent
mechanical and thermal properties:
Young’s modulus~1TPa
(same as diamond)
Ductile (fracture strain~5-10%)
High
thermal conductivity (in principle)
l Novel electronic
properties:
l Excellent electron field emitter:
Emission
threshold~1V/um
Materials
Young’s
Modulus (GPa)
Tensile
strength
(GPa)
Density
(g/cm³)
Single-walled
NT
1054
~150
Multi-walled NT
1200
~150
2.6
(10, 10) Nanorope
563
~75
1.3
Type
I C fiber
350
2.5
2.6
Steel
208
0.4
7.8
Epoxy
3.5
0.05
1.25
Wood
16
0.08
0.6
8-5 奈米碳管的製程
(一) 製程種類
(1)
電弧放電法 (Electric Arc Discharge)
(2) 雷射蒸發法 (Laser Ablation)
(3) 化學氣相沈積法 (Chemical Vapor
Deposition)
(a) Thermal CVD
(b) MPECVD (Microwave Plasma
Enhance CVD)
(c) ECRCVD (Electro cycroton Resonance CVD)
(二) CVD成長機制
(三) 各種製程比較
               
目前奈米碳管的合成技術包括弧放電法、電射濺鍍法(laser ablation)、化學氣相沈積法(chemical vapor
deposition,
CVD)等。其中利用CVD來合成奈米碳管所需的溫度較低，且可進行選區定址成長，並可整合製造場發射器所需之其它結構以及控制電路，目前為製作奈米碳管
場發射顯示器最主要的技術之一。由於選區定址成長技術是製造奈米碳管場發射器所必須，因此也成為目前極為熱門的研究重點之一。
8-6
奈米碳管的應用
由於奈米碳管的彈性極高，其張力強度比鋼絲強上百倍，但重量卻極輕，且兼具金屬的性質與半導體的性質，故奈米碳管的應用範
極廣，可以用作電路中的連接件、可以用作電路開關、可用在平面顯示器等。奈米碳管的發現者飯島澄男預估：二００五年至二０一０年左右就可製造出省電、厚度
僅數公釐的大面奈米碳管顯示器。
       
預期在五年至十年內，奈米碳管電池也將開發出來，奈米碳管具有極高儲存電力，但極輕的重量，可改善現有電池所有的缺點，如同電池工業的一場革命，未來對電
動汽車工業極有幫助。
       
二０一０年左右，以矽為材料的微米級電子電路技術將走到盡頭，奈米碳管將成為替代矽和其他半導體材料的最佳材料，可以開發出比現有傳輸速度與密度高五十倍
至一百倍，且省電效益高五十倍至一百倍的電子設備。
       
如何製造一個不易損壞、耐用的探針是奈米產業的另一課題，目前己有人用奈米碳管為探針，因為奈米碳管的彈性極高不易折損，且導電性高不易起化學變化，為理
想的探針材料之一。
       
另外，碳六十似乎也為愛滋病帶來一線曙光，碳六十的足球狀化學結構的鍵結，能快速地與HIV病毒結合，減低毒素與阻止HIV病毒擴散，這將促使生技醫藥公
司開發新的碳六十藥物
       
如果奈米碳管生產成本降到每公克三十三美元，且年產量可達一噸，將可供應產值達數十億美元的電腦及電視顯示器。如果價格降到每公克二十二美元，則更多產業
都能運用奈米碳管，例如可做雷達無法偵測的隱形飛機的機殼。如果降到四．四美元，則可運用於一般日常生活用品，例如手機、筆記型電腦、PDA的螢幕。
日
本2003年奈米科技大會 (Nanotech
2003)，會中約有近200家廠商、400個攤位介紹各項奈米技術研發與應用現況，其中也不乏許多碳奈米管的研發與應用實例，例如日本產業技術總合研究
所(AIST)的Noritake Itron Corp.在展示會場中展示全世界首座40吋的碳奈米管場發射顯示器(CNT-FED)。
藉
由發展CNT－FED
技術，除了不僅保留傳統陰極射線影像的品質，並具有省電及薄型(厚度可僅數公釐)等優點，未來再結合碳奈米管其他特性，則有機會發展成為兼具低驅動電壓、
高發光效率、低成本、視角大及省電的大尺寸全新平面顯示器。在儲能材料的應用上也是碳奈米管最近相當熱門的研發重點，根據研究指出，未來不管在鋰離子電池
或是汽車燃料電池等用途上，一旦可以成功開發出以碳奈米管為材料基質的相關組件，將可發揮比目前大數十倍之儲能效果。
2002年北加州
大學 Chapel Hill的物理學家與Applied Nanotechnology公司的研究人員利用碳奈米管陣列(carbon
nanotube
array)製造出新一代的X光源。由於這個陣列可以在室溫底下操作，因此整個儀器的操作溫度遠低於現有的設計，而且體積也大幅縮小。此外，研究人員也發
現新的X光源具有更優良的聚焦性、更短的反應時間，X光脈衝的波形也可以根據需要而加以修改，以利於追蹤移動的目標。
       
IBM於紐約的實驗室在2001年六月利用奈米碳管製作出NOT邏輯閘。同年，美國哈佛大學Charles
Lieber等人利用奈米金屬線等建構了類似的邏輯運算電路。不同的是，Lieber等人對其所使用的奈米線的電性有較好的控制，其利用矽和氮化錠生成P
型和N型的奈米金屬線，然後將兩條奈米金屬線相互交錯，交錯點便相當於一顆電晶體，然後再將這些電晶體聯結起來形成邏輯運算電路。不同於傳統邏輯運算電路
所使用的Top down微影蝕刻的製造方式，Lieber等人乃是利用Bottom
up組裝的方式來製備元件，這樣的方式將有助於大量製造和測試其所生產出來的電路。
       
此外，由於奈米碳管具有高長徑比(aspect
ratio)、尖端曲率半徑小、高結構強度、化學性質穩定、低啟動電場的高發射電流等特性，目前被視為絕佳且最有潛力的場發射顯示器材料，由於單壁奈米碳
管的平均直徑約在1~2nm，若使用單壁奈米碳管來做為製造陰極場發射顯示器的材料，則其將會是相當尖銳的理想電子發射源，場發射閥值可降低到10V左
右，產生較低能耗的新型平板場發射顯示器。圖六為單壁奈米碳管顯示器的結構示意圖。
圖六　(a)
單壁奈米碳管顯示器結構示意圖　(b)場發射器放大圖
       
當物理尺寸到達奈米等級時，電子的充放電過程便不再是連續的，而是量子化的。電子必須單個單個電子進行傳輸，充入單個電子的能量被稱之為庫倫阻絕能，而此
種在奈米尺度下單個單個電子傳輸的特性便被稱為庫倫阻絕效應。單電子電晶體的中心島可以由單個分子組成，如液晶分子、碳六十、奈米碳管等，圖七分別為以奈
米碳管和碳六十為中心島的實例。
圖七　單電子電晶體應用例　(a) 以奈米碳管 (b)
以碳六十為中心島
8-7 結論
由於碳奈米管具有高強度(例如機械強度比鋼強上數十倍)、高韌性、質量輕、可撓曲、高表面
積、表面曲度大、高熱傳導度及熱穩定性、導電性特異等特性；因此在其未來應用上，可說是種蘊藏無限可能的夢幻材料。
由於目前大量製造高純
度及高均勻性碳奈米管仍具相當難度，使得目前碳奈米管的價格與品質差異極大(純度高、品質穩定的CNT，其價格大約是每公克數百美元以上，約是黃金價格的
數十倍)，因此目前其產業應用性仍受限制。碳奈米管未來是否能成功的應用在材料、化工、顯示器及其相關產業，實需仰仗經濟且純度高、品質穩定的製造合成方
法。
1997年諾貝爾化學獎得主Smalley教授著眼於碳奈米管驚人的應用性和商業價值潛力，成立了專門大量生產碳奈米管的「奈米科技
公司」，並預估未來碳奈米管的市場將有機會達到每年一千億美元右。而隨著生產技術及產量的大幅提升，未來若碳奈米管的價格有可能降到每公克5美元左右，則
其應用範圍將更可能遍及一般日常生活用品，例如衣服、手機、筆記型電腦、PDA的螢幕等。
8-8 奈米碳管科技集錦
奈米
碳管能放射x-rays
北卡萊納大學研究人員使用奈米碳管製作場發射陰極，可放射出x-ray輻射線，適用作為可式醫學用及工業用x-
ray偵檢設備。北卡萊納大學奈米尺度材料研究中心Otto Zhou教授研究群與Applied
Nanotechnologies公司合作共同開發奈米碳管矩陣陰極可在室溫條件發射x-rays，亦即使用奈米碳管產生電子束其可deliver a
sufficient x-ray flux for medical imaging
奈米碳管元件優點：
l The
device is smaller and cooler than previous designs
l Its x-ray
pulses are more focused
l The response time of the generator is
sharper than previous models
l The pulse shape can be programmed
in order to tracking of moving objects
l The size of the x-ray
tube can be reduced and the power consumption is low
l The x-ray
tubes with higher imaging resolution for medical and industrial
applications
然此項研究所開發之奈米碳管x-ray發射裝置仍需二至三年後才能完全應用於醫學及工業用途。
單
層奈米碳管高效率精製法
東京理科大學石井忠浩教授與角田勝則助教授開發高效率精製奈米碳管的方法。一般實驗採用電弧放電及金
屬粒子觸媒製造單層奈米碳管，多數的碳管糾纏在一起，中間含有相當量的金屬粒子觸媒。
新方法首先加熱除去覆蓋金屬粒的煤煙，與凝膠一起放
入水中照射超音波，結果凝膠會浸透至奈米碳管塊中，並覆蓋在各碳管的表面，自然就把糾纏解開，接著用高濃度的鹽酸分解觸媒與凝膠，並過濾。
以
重量換算，含40％金屬粒子觸媒的單層奈米碳管在用新法處理一次後，含量減為13%左右。由於新法不必加熱，所以不會損及碳管。
奈
米碳管新製法
奈米碳管新製法日本JFCC(精密陶瓷中心)與東海
Carbon公司共同開發奈米碳管的新製法。而且已經確認可以量產的是能使半導體性能大幅提昇的「鋸齒」型奈米碳管。
利用新製法製造的奈米碳管，
其直徑為3nm、長度為1μm程度的奈米管束；所使用的材料為碳化矽。在接近真空狀態下照射雷射，加熱至1600℃左右，在材料的表面形成薄薄的奈米管
層。經過加熱方法及空氣濃度的改良，成功精製出均質的奈米管。
圖 JFCC等開發的奈米碳管照片。左上為腑視照片
純度高的雙層奈米碳管
三菱商事公司與名古屋大學共同開發雙層奈米碳管(DWCNT)的新製法，其
最大特點是可以生產形狀一致且高純度型，其耐久性亦可提高。
高純度雙層奈米碳管之製法，除改良電弧放電法之電弧放電外，觸媒與放電時使用的氣體也
都加以變更，成功的製得只有一種形狀，即內徑1.2nm，外徑 2.0nm的細長DWCNT。再經過化學精製，可將純度提高至95%以上。
DWCNT
的電子放出能力為單層奈米碳管的2-10倍，期待其成為下一代薄型電視備受矚的高電場放出型顯示器(FED)的應用。
小而冷的 X
光源的碳奈米管在醫學上的應用
[轉錄]
醫學用的 X
光源近百年來一直沒有太大的改變，其原理大抵上是利用陰極射線管發出的電子撞擊特定的金屬靶然後發出 X
光。由於要將陰極管加熱到攝氏一千度以上的高溫，以及必須提供加速電子空間，所以這一類 X 光源往往需要消耗不少能量以及佔有一定的體積。
最
近 Univ. of N. Carolina at Chapel Hill 的物理學家與 Applied Nanotechnology
公司的研究人員利用碳奈米管陣列(carbon nanotube array)製造出新一代的 X
光源。由於這個陣列可以在室溫底下操作，因此整個儀器的操作溫度遠低於現有的設計，而且體積也大幅縮小。此外，研究人員也發現新的 X
光源具有更優良的聚焦性、更短的反應時間，X 光脈衝的波形也可以根據需要而加以修改，以利於追蹤移動的目標。
研究人員利用碳奈米管製
造體積小又節省能源的 X 光源。 這項發明將可以提供一般或高解析度醫學用 X 光影像，並可應用於小型可攜式 X 光機的製造。
原
始論文： Generation of continuous and pulsed diagnostic imaging x-ray
radiation using a carbon-nanotube-based field-emission cathode Yue et
al., App. Phys. Lett. 81 355-357 (2002).
奈米碳管電晶體的最新發展狀況
隨著奈米科技的發展，奈米碳管(CNT)受到眾所矚目。IBM利用CNT
成功製造電晶體，甚至做出簡單的電路。該研究部門的T. J. Watson，針對最近的研發狀況做了一番說明。
所謂CNT是一種具備多重特性的
巨大碳分子，有單層CNT(SWCNT)和多層CNT(MWCNT)兩種。且因鏡映(Reflection)對稱性的不同，分為顯示金屬導電性者(m-
CNT)與顯示半導體性質者(s-CNT)。這次在IEDM2002 Report中所發表的是利用s-CNT構成電晶體之方法。
s-CNT電晶
體所指是利用s-CNT為管道(Channel)，源極電極由貴金屬構成，而夾住摻雜Si
的Gate氧化膜為閘極電極。其構成雖然簡單，製造卻相當困難。在目前的CNT合成方法當中，m-CNT和s-CNT係以束形混雜生成。若使用m-CNT
和s-CNT的混雜束構成電晶體，Conductance-Gate電壓特性雙方結合之後並不具備正常電晶體的功能。因此，為了製作CNTFET，只能使
用s-CNT，而且此製程較慢，在管中會遭到破壞，生產性降低。IBM則突破設計，在束中通過高電流，單單破壞m-CNT的方法來解決此問題。
其
次，由此法所生成的CNTFET是屬於p型的FET。為了製作電路，還需要n型的FET。關於此，可在真空氣氛下進行CNTFET退火處理，則可脫氧變成
n型的CNTFET。此變化為可逆，氧正巧是p型半導體的摻雜劑。根據研究，就CNT和電極的接合部分而言，氧的吸附是其原因所在。不論如何，依據此法能
夠生成n型的CNTFET。
IBM表示，CNTFET與現存Si
MOSFET比較之下擁有十足的競爭力。唯其還存在著Transconductance(3.3μS)等的問題需要解決。
IBM利用p型
CNTFET和n型CNTFET製作出轉換器(Inverter)電路。其製造方法是先並列生成兩個n型的CNTFET，之後一方以
PMMA遮蔽，使吸附氧﹔另一方未以PMMA遮蔽的則變成p型的CNTFET，再將此p型和n型CNTFET組合成轉換器電路。據IBM發表數據顯示，擁
有漂亮的轉換器電路特性。
在此次發表中，IBM還提及Boron Nitride
Nanotube(BNT)。該BNT全數為半導體，能否構成奈米碳管陣列元件尚不得而知。今後的課題是CNT的特性和位置、Schottky
Barrier能否完全掌控，如何達到元件組成的最適切化，以及大規模集積方法的開發等。
表　各種電晶體形態的比較
電
晶體形態
p-CNTFET
Bulk p-MOSFET
SOI p-MOSFET
Lgate(nm)
260
15
50
Tox(nm)
15
1.4
1.5
Ion(μA/μm)
2100
265
650
Ioff(nA/μm)
-150
<-500
-9
Subthreshold Slope(mV/dec)
130
-100
70
Transconductance (μS/μm)
2321
975
650
可自由控制傳導性的奈米碳管
日本名古屋大學與韓國漢城大學共同合作，成功開發出可自由控制奈米碳管之導
電性的技術。將含有金屬的筒狀碳分子富勒烯(Fullerene)擠入管內，將來可望做成直徑數nm的超微細半導體元件。
將極小的富勒烯注入呈筒
狀並列、直徑1nm的奈米碳管中，富勒烯在成核之處會呈含有釓原子的金屬內包型。
以高解析度的掃描隧道顯微鏡(STM)觀察發現，有富勒烯存在的
Tube電流較易於通過。這雖是在零下269℃極低溫下觀察到的結果，但名古屋大學的篠原久典教授認為「在常溫下應該也可獲致相同的現象」。
富勒
烯的疏密可利用超音波技術調整。同樣的，奈米碳管亦可自由控制電流是否容易流過。
奈米碳管的碳原子結構強固且化學性穩定。若利用其半導體特性，可
望作為超微細的電晶體或二極體使用。目前的矽半導體可能在不久的將來將面臨加工極限的問題，以奈米管取而代之，作為高集積晶片材料的研究正如火如荼展開
中。
圖、奈米碳管中注入有富勒烯的原型
以奈米碳管實現手機FED低驅動電壓的可能
根據日經BP社的報導，日本產業技術總合研究所奈米科技研究部門針對場發射
元件研發出以單層奈米碳管(SWCNT)製作射極的新方法。
以該新方法製作出來的元件如圖一，僅需以4V的驅動電壓就能釋放出電子。
Emitter與Grid之間的電壓一超過4V即釋出電子，開始產生電流，且到
6V時，電流開始激增，可望成為FED（場效電晶體顯示器）的應用製品，使其在手機、電子資訊產品顯示器的實用化更向前邁進一步。
新方法是在以尖
端直徑約20-30nm的圓錐狀矽晶片作為射極所用傳統場發射元件的製程上，再加上在矽晶片尖端以熱CVD（化學氣相成長）法成長
SWCNT的製程而成（圖二）。
關於在矽晶片尖端成長SWCNT的製程，首先是在所有利用到矽晶片的元件上面，載放做為觸媒的鐵粉，再放阻劑
（Resistor）。之後以氧電漿蝕刻除去此阻劑，再除去柵極上的鐵粉。此時在圓筒形的孔穴中殘留有阻劑，其下的矽晶片亦殘留有所載鐵粉。接下來則以屬
於有機溶煤的丙酮來除去穴內的阻劑，使矽晶片上的鐵粉露出來，再將所露出的鐵粉做為觸媒使用，藉由熱CVD法使SWCNT成長。
據產總研表示，目
前能使矽晶片尖端成長SWCNT的比率約80%，可望再經過製程的改良達到100%，但在做為顯示器使用的場合，因為一個畫素用到約
1000個元件，縱使是80%的良率，在實用化上已無問題。
圖一 使圓錐狀矽晶片的尖端成長SWCNT的射極（左）和
將
之並列如右的電子顯微鏡照片
圖二 SWCNT用於射極的場發射元件剖面構造圖
奈米豆莢：碳奈米管加碳奈米球
自
從富勒烯(fullerene)於1985年被發現以來，科學家就一直在探索它將外來原子封裝在籠狀結構中的能力，研究重點之一是外來原子在富勒烯分子內
的位置，因為這對其化學及物理性質影響甚巨。對所謂的雙金屬富勒烯(dimetallofullerene)複合物──即每個富勒烯內裝了兩個金屬原子，
這點尤其重要。為了研究這類新材料，日本的Kazutomo Suenaga等人將鈧(Scandium)雙金屬富勒烯(Sc₂@C₈₄)
裝入單壁碳奈米管
(SWCNT)內，成為研究人員口中的「奈米豆莢」(nanopeapod)，然後以解析度達原子級的高解析穿透電子顯微鏡(HRETM)掃描。研究人員
將獲得的影像與電腦模擬的穿隧式電子顯微鏡(TEM)結果相比對，便可直接辨識出鈧原子在Sc₂@C₈₄分
子內的位置。這個研究方法提供了探索各別分子結構的途徑，除了可以用來決定分子內部結構外，也可以應用在其他許多的分子系統中。詳見Physical
Review Letters 90, 055506 (2003).
碳奈米管可膠合成硬度超強的材料
究人員將微細的碳
奈米管(carbon
nanotube)夾在聚合物層中，製造出硬度超強的材料。這種隔命性的材料比傳統碳纖維複合物強上六倍，硬度直逼某些工程上用的超硬陶瓷材料。由奧克拉
荷馬州立大學靜水分校的Nicholas
Kotov領導的國際小組將樣品輪流浸入攙了碳管的水及聚合物溶液中，得到單分子層碳管與聚合交錯相疊的材料。這種新材料可以用在太空工程中或做為耐久的
醫學植入材料，又由於它是有碳基的機複合物，質量與傳統的碳纖維一樣輕盈。詳見近期的Nature Materials.
普渡大學的科學
家製造出可量身訂做的奈米管
美國普渡大學的科學家採用比碳奈米管還複雜的原子系統，設計出一種可以根據應用目的不同而調整的奈米管製作方
法。研究人員說，這種被稱為「玫瑰奈米管」(rosette
nanotubes)的新系統，是由碳、氮、氫及氧自組成(self-assembling)的有機結構，具有獨特的物理、化學及電子性質。它在中央有一
個空心管道貫穿奈米管的長度；與碳奈米管不同的是，此處的內外管徑可以調整；外側較小的管道則可依客戶要求修改，以用來銜接不同使用目的下所需要的特定分
子。
 
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