精密加工与纳米技术.ppt

精密工程与纳米技术,王先逵 清华大学精密仪器与机械学系 制造工程研究所 2001.11,精密加工和超精密加工技术 微细加工技术 纳米技术与微型机械,精密加工和超精密加工技术,精密加工的发展阶段,精密工程的范畴,精密工程是精密加工和超精密加工技术的总称。 精密加工是指加工精度为10.1微米、表面粗糙度为Ra0.10.01微米的加工技术。 超精密加工是指加工误差小于0.1微米，表面粗糙度小于Ra0.025微米的加工技术，又称为亚微米加工技术。,超精密加工技术 目前，大多数学者都将超精密加工技术分为两大类： 机械超精密加工技术 非机械超精密加工技术,机械超精密加工技术,金刚石刀具超精密切削 金刚石微粉砂轮超精密磨削 精密研磨和抛光 其它,大型光学金刚石车床（LODTM) 美国LLN实验室，加工直径1625mm,长度508mm,重量1360公斤,盒式超精密立式车床,1. 用低热变形复合材料制成的拖板；2. 淋浴冷却液； 3. 陶瓷滚珠死杠；4. 对称热源装置；5. 冷却液喷射装置；6. 切屑回收装置；7. 热变形补偿微位移工作台；8. 卡盘附件；9. 切屑回收装置；10. 油温控制装置；11. 隔振功能和水平调整功能装置；12. 空气静压主轴；13. 冷却散热片；14. 热对称壳体结构；15. 恒温循环装置；16. 两个热对称圆导轨；17. 热源隔离装置；18. 热流控制功能和衰减能调整功能装置；19. 滚珠丝杠驱动用电子冷却轴；20. 热对称三点支撑结构,非机械超精密加工技术 主要指微细电火花加工、微细电解加工、微细超声加工、电子束加工、离子束加工、激光束加工等非传统加工的精密化、微型化。 可以很明显地看出，所谓非机械超精密加工技术实际上就是超精密特种加工，这对特种加工而言是一个极好的机遇。 非机械超精密加工技术不仅包含了通常的特种加工技术，而且包含了集成电路制作的一些微细加工技术。,微细加工技术,微细加工技术的概念,微细加工技术是指制造微小尺寸零件或微小尺寸的加工技术。 它是在半导体集成电路制造技术的基础上形成并发展的，是大规模集成电路和计算机技术的基础。 是信息时代、微电子时代、光电子时代的关键制造技术之一。,微细加工方法 机械微细加工方法 非机械微细加工方法 能束加工 电铸 光刻和立体光刻成形 半导体微细加工 等等,集成电路制作技术,一块集成电路芯片的主要工艺方法,a) 外延生长 b) 氧化,c) 光刻 d) 选择扩散 e) 真空镀膜 图3.1 集成电路芯片的制作工艺,外延生长 是在半导体晶片表面沿原来的晶体结构晶方向通过气相法（化学气相沉积）生长出一层厚度为10m以内的单晶层，以提高晶体管的性能，称之为外延生长。外延生长层的厚度及其电阻率由所制作的晶体管性能决定。,氧化 是在外延生长层表面通过热氧化法生 成 氧化膜，该氧化膜与晶片附着紧密，是良好的绝缘体，可作绝缘层防止短路和电容绝缘介质。,光刻 即刻蚀，是在氧化膜上涂覆一层光致抗蚀剂，经图形复印曝光（或图形扫描曝光）、显影、刻蚀等处理后，在基片上形成所需的精细图形，在端面上形成窗口。,选择扩散 基片经外延生长、氧化、光刻后，置于惰性气体或真空中加热，并与合适的杂质（如硼、磷等）接触，则窗口处的外延生长表面将受到杂质扩散，形成13m深的扩散层，其性质和深度取决于杂质种类、气体流量、扩散时间和扩散温度等因素。选择扩散后就可形成半导体的基区（P结）或发射区（N结）。,真空蒸镀 在真空容器中，加热导电性能良好的金、银、铂等金属，使之成为蒸气原子而飞溅到芯片表面，沉积形成一层金属膜，是为真空蒸镀，完成集成电路中的布线和引线准备，再经过光刻，即可得到布线和引线。,微细加工的发展,微细加工的发展出现了超微细加工，它们都以电子束、离子束和激光束三束加工为基础，采用沉积、刻蚀、溅射、蒸镀等加工手段进行各种处理。 目前微细加工向着高深宽比三维工艺方向发展。,纳米技术与微型机械,纳米技术,纳米技术通常是指纳米级0.1nm100nm的材料、产品设计、加工、检测、控制等一系列技术。 它是科技发展的一个新兴领域，它不是简单的“精度提高”和“尺寸缩小”，而是从物理的宏观领域进入到微观领域，一些宏观的几何学、力学、热力学、电磁学等都不能正常描述纳米级的工程现象与规律。,纳米技术主要包括：,纳米材料 纳米级精度制造技术 纳米级精度和表面质量检测 纳米级微传感器和控制技术 微型机电系统 纳米生物学等,微型机电系统（微型机械）,微型机械可以认为是一个产品 其特征尺寸范围应在1m1mm，考虑到当前的技术水平，尺寸在110mm的小型机械和将来利用生物工程和分子组装可实现的1nm1m的纳米机械或分子机械，均可属于微型机械范畴。,微型机电系统,微 型 电 机,微型阀,微型泵,微型电机,微型飞机,微型燃气涡