微细加工技术复习题.doc

1、微细加工技术：就是指能够制造微小尺寸零件的加工技术的总称。从目前国际上微细加工技术的研究与发展情况看，形成的主要流派： 美国为代表的硅基MEMS技术； 德国为代表的LIGA技术； 日本为代表的传统加工方法的微细化等；基于平面硅工艺的MEMS技术适合于将微传感器、微执行器、信息处理器件集成于一个微小单元。从工艺角度上看，具有集成度高，便于大批量生产等优点。但这种方法难以加工出三维自由曲面形状，也难以处理各种性能优异的金属材料。相对于硅材料的微细加工，LIGA技术可以对许多金属材料进行微细加工，能够制造出高宽比大于500，厚度近1000m，结构侧壁平行度偏差在亚微米级的三维立体结构，然而要实现LIGA工艺就必须使用昂贵、稀有的同步辐射源。同时，从原理上讲，LIGA工艺很难用于斜面、阶梯面、自由曲面的微细三维加工。用深层刻蚀工艺代替同步辐射X射线深层光刻，然后采用电铸工艺的准LIGA技术成为研究的热点。同LIGA、光刻等MEMS技术相比，微细特种加工方法具有设备简单、可实施性强和真三维加工能力。同时其所能处理的材料非常广泛，不仅可加工各种性能优良的金属、合金，还可加工硅等半导体材料、陶瓷等。而且特种加工方法的能量易于控制，可较方便地实现去除与生长可逆加工，如基于电火花加工的放电沉积与去除、基于电化学加工的电解与电铸可逆加工等，这一明显的技术优势将有利于微纳米尺度零件的精密加工与修复。2、微细加工与一般尺度加工的主要区别体现在： 加工精度的表示方法不同：在一般尺度加工中，加工精度常用相对精度表示；而在微细加工中，其加工精度则用绝对精度表示。 加工机理存在很大的差异：由于在微细加工中加工单位的急剧减小，此时必须考虑晶粒在加工中的作用。 加工特征明显不同：一般加工以尺寸、形状、位置精度为特征；微细加工则由于其加工对象的微小型化，目前多以分离或结合原子、分子为特征。3、 从被加工对象的形成过程上看，微细加工可大致分为3大类： 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、溅射等。大致可分为切削加工、磨料加工、特种加工及复合加工等。 结合加工：同种或不同种材料的附加或相互结合的加工方式，如蒸馏、沉积、生长、渗入等。附着：注入：接合： 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、在集成电路制造中，微细加工主要技术： 横向微细加工技术：按照器件设计的要求，在材料的表面上制作所需要的各种几何图形；包括图形设计、图形产生和刻蚀。 纵向微细加工技术：按照器件设计的要求，在材料的纵深方向制作各种薄膜结构。包括蒸发、溅射、高压氧化、减压化学气相淀积(减压CVD)：热扩散、离子注入和退火、气相或液相外延、分子束外延等。5、硅的力学特性 单晶硅是MEMS结构中最常用的材料,实验表明，硅材料并不像通常所感觉的那样脆弱。产生这种错觉的原因有以下几点： 单晶硅通常是直径50mm-130mm、厚度仅为(250-500)um的圆形薄片，在受到外力时容易产生较大的内应力，从而导致损坏。 由于单晶硅材料具有沿晶面解理的趋势，当硅片边缘、表面和硅体内存在缺陷而导致应力集中，并且其方向与解理面相同时，会使硅片开裂、损坏。 半导体的高温处理和多层膜沉积工艺会引入内应力，当与硅材料本体、表面和边缘的缺陷结合时，就会导致应力集中，甚至沿解理面开裂。 常规尺度下硅出现破坏时发生脆性断裂，而金属材料通常发生塑性变形。硅之所以被选作机械传感器的最优材料是由于它超乎寻常的机械性能。对于传感器来说，人们需要一个可重复产生的信号，这意味着对于机械传感器而言，它的结构在受到同样的负载时必须以同样的方式形变。因此人们需要一种没有机械回滞和蠕变的材料。回滞是由于材料的屈服，换句话说是由塑性形变引起的。硅在弹性形变前就会失效，至少在室温下是这样。事实上，使硅失效的应力大大超过了不锈钢的屈服应力。从这一点来说，硅比所有的金属都强得多。然而要注意，这并不意味着在所有类型的结构中硅比钢强。如果钢在结构的某一点上受到超过屈服强度的应力，它就形变，直到没有什么地方受到的应力超过屈服强度。在这种情况下整个结构不会失效。硅结构与此完全不同：如果硅中某一点的应力超过屈服点，硅就失效，并且结构断裂。硅的这种特性(脆性)对于传感器来说是有优势的：如果传感器过载，它就断裂，根本无法工作，而不是给出一个错误的信号。6、硅微结构的设计原则 硅材料制作的机械元件和器件的实际强度取决于它的几何形状、缺陷的数量和大小、晶向，以及在生长、抛光、划片时产生和积累的内应力。 最少缺陷原则 最小应力原则 最大隔离原则7、薄膜材料的力学特性 薄膜材料在MEMS器件中必不可少，尤其是在表面微加工器件中。溥膜材料的力学特性对MEMS器件的设计和实现同样具有重要意义。 材料力学参数主要包括密度、硬度、弹性模量、应力极限、应变极限、疲劳寿命、冲击韧性、品质因数等。8、 考虑尺度效应的微机械动力学 微机构是微机电系统的主要组成单元，在微小空间内起着能量传递、运动转换和调节控制等作用，以实现规定的动作和精度。当构件缩小到一定尺寸范围时将会出现尺度效应，即尺寸的减小将引起响应频率、加速度特性以及单位体积功率等一系列性能的变化。 传统机械做功往往是体积力起主导作用，运动要克服的主要是重力、惯性力等。 微机械领域内，常常是表面力起主导作用。9、 磁阻执行器其垂直驱动力和切向驱动力分别为：式中a、b为磁极的侧面尺寸，d为磁极之间的间隙。由于在最大温度限制下，B为常数，所以磁阻驱动力的变化与L2成正比。压电执行器的尺度效应悬臂式双膜片压电执行器产生的驱动力F和位移s为 式中 d31为压电系数；E为弹性模量；L、b、h分别为压电执行器的长、宽、高；V为驱动电压。因此驱动力的变化与L成正比。形状记忆合金(SMA)执行器的尺度效应 SMA是通过加温和降温来实现驱动的，通常被认为是一种响应周期较长的驱力动器，但是在MEMS尺度下情况发生了有益的变化。SMA的驱动力随L2变化，运动距离随L变化，做功与L3成正比。由于SMA的散热面积与L2成正比，质量与L3成正比，对流系数与L-1成正比，则响应时间与L2成正比。当尺寸减小时，SMA的散热面积相对增加，热对流增强，使SMA执行器响应时间大大缩短，功率密度大幅度提高。10、微流体现象与宏观规律有相当大的差别： 在微观领域，流体在运动过程中会受到尺寸效应的影响，表面力作用变得显著，而惯性力作用减小； 材料的润滑、摩擦与宏观状态不同； 表面黏着力、黏滞力发生了变化，从而影响了其力学性能并造成微流体力学特性的不同； 微小装置中流体驱动机制可利用表面张力和黏性力，但其阻力特性也有所不同； 微小装置中流体的相变点(饱和压力和温度)不再是常数，随尺度减小而降低； 微细管道固液界面的微观物理化学特性所产生的化学效应对微流体的力学行为有重要影响； 在微流动中，雷诺数通常都很小；在微观条件下： 体边界对流体将产生显著影响； 固体边界无滑移条件应区别对待； 一般微机械器件的长度尺度都要比简单液体的分子间距大得多，因此无滑移边界条件在无运动界面时仍然成立。还有一些情况是流动本身而不是边界条件需要修正；11、微摩擦学的特点 在微机械系统中，摩擦表面的摩擦力主要来源于表面之间的相互作用力而不再是载荷压力； 与传统的机械设计相比，微机电系统中的摩擦问题显得特别突出，这是因为尺度效应使得构件上的作用力随着其尺寸减小发生急剧变化。但在微机械中一方面要降低摩擦损耗，甚至实现零摩擦，另一方面，微机械由于空间限制和结构特点，往往利用摩擦作为牵引或驱动力； 微摩擦过程中的黏滑现象要比宏观摩擦过程强烈得多； 大部分表面效应都与温度有关； 粘附现象与微摩擦机理和性能密切相关；12、微电子技术的一维方式发展模式将面临着一系列物理限制的挑战： 基本物理规律的限制； 材料方面的限制； 技术方面的限制； 器件方面的限制； 系统方面的限制； 传统物理理论的限制；面对这些物理限制，微电子技术的发展呈现出多维发展的模式： 通过克服在材料、技术、物理基础方面遇到的限制，继续按照特征尺寸按比例缩小的途径继续发展，即所谓的“自上而下”的途径； 发展新的纳米技术，采用“自下而上”的途径发展； 将全新的纳米低维材料与微电子技术相结合，开发新型的纳米电路； 研究新的器件结构，发展新的运算逻辑； 将微电子技术与其他技术结合，形成新的学科和技术领域；微光学正在迅速深入和拓宽，作为今后的发展趋势大体如下： 微细加工工艺的革新和完善，特别是研究微米、亚微米级的微光学工艺技术； 微光学材料的研究和开拓，特别是半导体材料、非线性聚合物材料、光析晶体材料的研究及在微光学中的应用； 微光学元器件的集成化、多功能化，特别是三维集成器件的研制； 微光学元件及其阵列的成像、传输理论和设计方法的研究； 微光学产业化的发展等。13、微细切削的机理与一般普通切削有很大区别。晶粒内部非常大的原子、分子结合力。在微切削去除时，切削往往在晶粒内进行，切削力超过晶体内部的分子、原子结合力，其单位面积的切削阻力(Nmm2)将急剧增大。刀刃上所承受的剪切应力就急速地增加并变得非常大，从而在单位面积上会产生很大的热量，使刀刃尖端局部区域的温度极高，处于高应力、高温的工作状态。因此刀具材料要求采用耐热性高、高温硬度高、耐磨性强、高温强度好的刀刃材料，即超高硬度材料，最常用的是金刚石、立方氮化硼等。14、材料微观缺陷分布或材质不均匀性，可以归纳为以下几种情况： 晶格原子(10-6mm)：在晶格原子空间的破坏就是把原子一个一个地去除。 点缺陷(10-6mm -10-4mm)：点缺陷就是在晶粒结构中存在着空位和填隙原子。点缺陷空间的破坏就是以点缺陷为起点来增加晶格缺陷的破坏。晶体中存在的杂质原子也是一种点缺陷。 位错缺陷(10-4mm -10-2mm)。位错缺陷就是晶格位移和微裂纹，它在晶体中呈连续的线状分布，故又称线缺陷。 位错：就是有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。位错缺陷空间的破坏是通过位错线的滑移或微裂纹引起晶体内的滑移变形。 晶界、空隙和裂纹(10-2mm- 1mm)。它们的破坏是以缺陷面为基础的晶粒间破坏。 缺口(1mm以上)。缺口空间的破坏是由于拉应力集中而引起的破坏。15、金刚石刀具的损伤主要有两种形式：崩刃和磨损。崩刃是在刃口上的应力超过金刚石刀具的局部承受能力时发生的。累积的金刚石刀具的磨损主要发生在侧面刀面两个部位。16、微细铣削工具 用离子束加工技术制作微细铣刀被认为一种可行的方法。 除了离子铣削、刻蚀法外，还有采用冶金成型、LIGA工艺等方法来制作微细加工工具或工具毛坯，也可用这几种方法的组合来制作微细工具。在微小尺度加工时，减少或去除毛刺的方法 ： 用单晶金刚石刀具进行第2次精切； 用电化学抛光法，在工件棱角等处蚀除(1-2m)，可去除毛刺获得很光滑的表面； 在微注模和热压纹模上也已开展微结构消除毛刺的实验； 选择易分离的材料加工；17、细钻削工艺特点 与通常的钻削加工相比，微细钻削加工的工艺特点主要表现在： 排屑十分困难，切屑易阻塞，钻头易折断， 孔的尺寸越微小则越是如此； 切削液较难注入加工区内，钻削条件较为恶劣，影响正常加工。一般应采用低黏度的矿物油或菜籽油进行冷却润滑； 刀具重磨很难，耐用度低； 微细钻床系统刚性要好，加工时不能有振动，应有消振措施； 微细钻削工艺中微细钻头的制作也是一个关键问题。目前，商品供应的微细钻头的最小直径为50m，要得到更细的钻头，必须借助于特种加工方法。18、板件上的小孔常采用冲孔，具有以下特点： 生产效率高。在大批量生产时，其生产成本比钻削小孔的成本低得多。 凸模磨损慢，寿命长，加工出的小孔尺寸稳定。 冲小孔技术的研究方向是减小冲床的尺寸，增大微小凸模的强度和刚度，保证微小凸模的导向和保护等。冲压是大批量孔加工最常用的方法之一。把这种方法引入微加工，要解决以下两个主要问题： 必须有微细尺寸的冲头和凹模；可通过应用适当的微细加工方法解决。 微冲头与微凹模周隙在微细尺度上的均匀一致性；它的实现依赖于一个能保证与微细工具匹配的微冲压系统的开发，在这个系统中，微冲头和微凹模在微细冲床上能够依次在线制作，确保微冲头与微凹模周边间隙的均匀性。19、微陀螺转子进行微冲压加工过程如下。 固定：垫片将铝箔固定在夹具上； 冲压：冲头冲压铝箔，转子从模具底部落下； 后处理：将冲压好的转子置于专用夹具中整形，并退火； 清洗、检查：把转子放在丙酮溶液中，经超声波清洗烘干后用显微镜观察，选择外形规整转子器件。20、磨料喷射加工主要具有以下特点： 它不属于大量去除材料的加工方法(属于精细、微细加工方法)，主要用于去毛刺、清理表面、刻蚀等。也适用于解决一些结构特殊、形状复杂和尺寸微小零件的加工问题。 可以加工导电或非导电材料。对于韧性材料其去除率较低；较适合于脆性材料如玻璃、陶瓷、淬硬金属的加工。 可以清理各种沟槽、螺纹和异型孔，但用作孔加工时会产生锥度。21、特种加工技术中，应用最广泛的是电加工技术 通常所说的电加工技术主要包括：电火花加工(包括电火花成形加工、电火花线切割加工等)； 电化学加工(包括电解加工、电镀、电铸等)两大类。22、微细电化学加工：按原理分为两类,一类是基于阳极溶解的减材制造技术电解加工( electrochemical machining)另一类是基于阴极沉积的增材制造技术电铸( electroforming) 脉冲电解加工是利用有规律的间歇供电进行间隙加工，在脉冲电化学加工时间内阳极发生电化学溶解，从而达到改善零件表面质量的目的。电铸是是在芯模表面沉积金属，然后使两者分离来制取零件的工艺。它是利用金属的点解沉积原理来制造金属制品.在电铸过程中,电解液中的金属离子不断向阴极聚集,并沉积在原模表面形成金属制品.23、要实现微细轴、孔及微三维结构的电火花加工，必须使用极为微细的工具电极，在以往的微细电火花加工中，一直是制约微细电火花加工术发展的瓶颈问题。24、 微细电极制作的传统方法主要有哪两种：WEDG法具有如下的特点： （1）电极丝被连续地送出，形成不断地以新的丝来加工，补偿自身的放电损耗，即使电极丝消耗实际上是存在的，对精度的影响还是小到可以忽略的程度，可确保被加工工具电极的尺寸精度。 （2）线电极丝与被加工的工具电极为点放电加工，工具电极的形状与成形运动的轨迹有关，可加工多种形状的电极，如圆柱形，圆锥形，棱柱状，螺纹状及带有斜度的电极（需配置多轴联动数控系统），易于实现工具电极自动化成形。 （3）通过减小放电间隙并取合适的电规准则可加工出微细的工具电极。 （4）工具电极的旋转运动在保证其加工圆度的同时，避免了集中放电或短路，有利于放电加工的连续进行。 （5）旋转主轴的径向跳动，线放电磨削丝的直径均匀度以及走丝平稳性都会影响工具电极加工精度和可能达到的极限尺寸，应采用高精密旋转主轴头和恒张力的线磨削丝的机构。 25、电子束微细加工的特点 加工面积很小，是一种精密微细的加工方法。电子束能够极其微细地聚焦，甚至能聚焦到0.1m。 是一种非接触式加工。工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变形。加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。电子束能量密度高，使照射部分的温度超过材料的融化和气化温度，去除材料主要靠瞬时蒸发。 电子束的能量密度高，每秒钟可以在2.5厚的钢板上加工50个直径为0.4的孔。 可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制。在电子束爆光中，从加工位置找准到加工图形的扫描，都可实现自动化。在电子束打孔和切割时，可以通过电气控制加工异形孔，实现曲面弧形切割等。 加工表面不会氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。电子束加工是在真空中进行，污染少。 价格较贵，生产应用有一定局限性。电子束加工需要一套专用设备和真空系统。 缺点: 由于使用高电压，会产生较强 X射线，必须采取相应的安全措施；需要在真空装置中进行加工；设备造价高等。电子束加工广泛用于焊接（见电子束焊），其次是薄材料的穿孔和切割。穿孔直径一般为0.031.0毫米,最小孔径可达0.002毫米。切割0.2毫米厚的硅片，切缝仅为0.04毫米，因而可节省材料。26、 电子束焊接具有的工艺特点:1 )电子束焊接的能量密度高 ,可焊接一般电弧焊难以实现的焊缝;2) 电子束焊 接是在真空中进行 ,焊缝的化学成分稳定且纯净 ,接头强度高 ,焊缝质量高;3) 电子束焊接速度快 ,热影响区小 ,焊接热变形小;4) 电子束焊接适用于焊接几乎所有的金属材料，尤其适合铝材焊接;5) 电子束焊接可获得深宽比大的焊缝 (20 150 1) ,焊接厚件时可以不开坡口一次成形;6)电子束焊接结合计算机技术 ,实现了工艺参数的精确控制 ,使焊接过程完全自动化。电子束焊接技术是目前发展最快 ,应用最为广泛的电子束技术。27、 离子束微细加工与电子束微细加工本质区别： 顾名思义电子束加工是以激发电子作为载体，离子束则以离子。离子束加工是一种元素注入过程，具有辐照损伤、喷丸作用、表面压缩、形成表面非晶态，形成弥散化合物质点等效应，而电子束与激光束的主要作用在高能量，没有辐照、表面压缩等特性。离子束微细加工的特点1、 加工的精度非常高，2、 污染少，3、 加工应力、热变形等极少、加工精度高，4、 离子束加工设备费用高、成本贵、加工效率低。离子束技术离子束加工是在真空条件下，先由电子枪产生电子束，再引入已抽成真空且充满惰性气体之电离室中，使低压惰性气体离子化。由负极引出阳离子又经加速、集束等步骤，获得具有一定速度的离子投射到材料表面，产生溅射效应和注入效应。由于离子带正电荷，其质量比电子大数千、数万倍，所以离子束比电子束具有更大的撞击动能，是靠微观的机械撞击能量来加工的。生长薄膜技术薄膜的生长是半导体制造中一项重要的工艺。薄膜生长技术总的来说可以分为物理方法和