微细加工技术.ppt

微细加工技术 微机械的概念 微机械 利用半导体技术 特别是平板印制术 蚀刻技术等 设计和制造微米领域的三维力学系统 以及微米尺度的力学元件 它开辟了制造集成到硅片上的微米传感器和微米电机的崭新可能性 简单来说是为了满足人们对产品的功能集成化和外形小性化的要求 美国称之为微型机电系统 MicroElector MachanicalSystems 简称MEMS 日本称之为微系统 Micromachine 欧洲则称为微系统 Micro System 微机械的分类 微机械按尺寸特征可以分为三类 1mm 10mm的微小机械 1um 1mm的微机械 1nm 1um的纳米机械制造微机械采用的微细加工 进一步分为微米级微细加工 亚微米级微细加工 纳米级微细加工等等 微机械的基本特征 1 体积小 精度高 重量轻一般体积达到亚微米一下 尺寸精度达纳米级 重量可致纳克 2 性能稳定 可靠性高由于为机械的体积小 几乎不受热膨胀 噪声 挠曲等因素影响 具有较高的抗干扰性可在较差的环境下进行稳定的工作 3 耗能低 灵敏度和工作效率高微机械所消耗的能量远小于传统机械的十分之一 却能以十倍的速度来完成同样的工作 4 多功能化和智能化微机械集传感器 执行器 信号处理和电子控制电路为一体 易于实现多功能化和智能化 5 适用于大批量生产 制造成本低微机械采用和半导体制造工艺类似的方法生产 可以像超大规模集成电路一样一次完成大量相同的部件 微细加工的工艺方法 微细加工是指尺寸精度为微米级范围的加工方式 是MEMS发展的重要基础 微细加工起源于半导体制造工艺 加工方式十分丰富 包含了微细机械加工 各种现代特种加工 高能束加工方式 而微机械制造过程又往往是多种加工方式的结合 超微机械加工 用超小型机密金属切削机床和电火花 线切割等加工方法 制作毫米级尺寸以下的微机械零件是一种三维实体加工技术 加工材料广泛 但多是单件加工 单件装配 费用较高 微细切削加工适合所有金属 塑料及工程陶瓷材料 切削方式有车削 晰削 钻削等 由于切削尺寸小 主轴转速高 专用机床的设计加工的难度较大 目前微细切削加工存在的主要困难时各类微型刀具的制造 刀具安装的姿态 加工基准的转换定位等 微细加工的刀具和电极的定位较为困难 为此常将切削刀具或电极在加工机床上制作 以避免装夹误差 光刻加工 光刻加工是采用照相复印的方法将光刻淹模上的图案印刷在涂有光致抗蚀剂的薄膜或基材表面 然后进行选择性腐蚀 刻蚀出规定的图形 所用的基材有各种金属 半导体和介质材料 光致抗蚀剂俗称光刻胶或感光剂 是一种经光照后能发生交联 分解或聚合等光学反应的高分子溶液 典型的光刻工艺过程包括 氧化 涂胶 曝光 显影 腐蚀 去胶 扩散 体刻蚀加工技术 体刻蚀加工技术是对硅的衬底进行腐蚀的加工技术 即用腐蚀的方法将硅基片有选择性的去除一部分 以形成微机械机构 腐蚀的方法分湿法腐蚀和干法腐蚀 湿法腐蚀 用化学腐蚀液对硅基片进行刻蚀 它又有各相同性和各向异性之分 各相同性是硅在所有的晶向方向以相等的速度进行刻蚀 各向异性可以使硅在不同的晶面 以不同的速率进行刻蚀 通过有选择的使用各向异刻蚀溶液 利用基片晶格的取向 可以制作如桥 梁 薄膜等不同的结构 干法腐蚀是利用等离子体取代化学腐蚀液 把基体暴露在电离的空气中 气体中的离子与基体原子间的物理和化学作用引起刻蚀 湿法的腐蚀速率快 各向异性好 成本低 但控制腐蚀深度困难 干法的腐蚀速度慢 成本高 但能精确控制腐蚀深度 对要求精密 可是深度浅的最好用干法刻蚀工艺 对要求各向异性大 腐蚀深度很深的则采用湿法腐蚀工艺 面刻蚀加工技术 面刻蚀加工技术是从集成电路平面工艺演变过来的 它是硅基片上形成薄膜并按一定要求对薄膜进行加工的技术 表面的加工一般采用光刻技术 通过光刻将设计好的微机械结构图形转移到硅片上 再用各种腐蚀工艺形成微结构 在机械加工中 有时要形成各种微腔结构和微桥 通常采用牺牲层工艺 面刻蚀加工的关键步骤是有选择性的将抗腐蚀薄膜下面的牺牲层腐蚀掉 从而得到一个空腔结构 常用二氧化硅 sio2 磷玻璃 PSG z作为牺牲材料 表面牺牲层 技术 即在形成微机械结构的空腔或可活动的微结构过程中 先在下层薄膜上用结构材料淀积所需的各种特殊结构件 再用化学刻蚀剂将此层薄膜腐蚀掉 但不损伤微结构件 然后得到上层薄膜结构 空腔或微结构件 由于被去掉的下层薄膜只起分离层作用 故称其为牺牲层 首先是在硅基片上沉淀牺牲层材料 其作用是为形成结构层得后续提供零时支撑 牺牲层的厚度一般1 2um 也可更厚些 牺牲层的材料被腐蚀成所需形状 为了向结构提供固定点 可腐蚀出穿透牺牲层的窗口 以防止结构层在分离结束时移位 然后沉淀和腐蚀结构材料薄膜层 多晶硅是常用的结构层材料 结构层腐蚀过后 除去牺牲层就可得到分离空腔结构 面刻蚀加工的主要优点是具有常规集成电路的兼容性 器件不但可以做的很小 而且不影响器件特征 缺点是该工艺本身属于二维平面工艺 限制了设计的灵活性 且由于采用牺牲层工艺 漂洗和干燥需反复多次 易产生粘连现象 降低了成品率 LIGA LIGA技术是由德国卡尔斯鲁厄核物理研究所提出的 由制版术 电铸成型和微注塑三个德文单词的所写 被公认是一种全新的三维立体微细加工技术 LIGA工艺过程 1 深层同步辐射x射线光刻 把从同步辐射源放射出的具有短波长和很高平行度的x射线作为曝光源 可在最大厚度打500um的光致抗腐蚀剂上生成曝光图形的三维实体 2 电铸成形 用曝光蚀刻的图形作为电铸用胎膜 用点沉积方法在胎膜上沉积金属以形成金属微结构零件 3 注射 将电铸制成的金属微结构作为注射成形的模具 即能加工出所需的微型零件 LIGA的优点在制作很厚的微机械结构方面有着独特的优点 是一般常规的微电子工艺无法替代的 它极大地扩大了微结构的加工能力 使得原来难以实现的微机械能够制造出来 但缺点是所要求的同步辐射源比较昂贵 稀少 致使应用受到限制 难以普及 后来出现的准LIGA技术 使用紫外线代替同步辐射源 虽然不具备和LIGA技术相当的深度或宽度 但是所涉及的常规的设备和加工技术 更容易实现 封接技术 封接技术在微机械加工中占有重要地位 封接的目的是将分开制作的微机械部件在使用粘接剂的情况下连接在一起 封在壳中使其满足使用要求 封接技术影响到整个微系统的功能和尺寸 可以说是微机械系统的关键技术 常用的封接技术有反应封接 沉积密封膜和键合技术 反应封接是将多晶硅结构与硅基片通过氧化封在一起 淀积密封膜使用化学气象淀积法在构件和衬底之间淀积密封材料 键合技术分为硅 硅直接键合和静电键合两种 硅 硅直接键合是将两个经过磨抛的平坦硅面在高温下依靠原子的力量直接键合在一起形成一个整体 静电键合主要用于硅与玻璃之间的键合 在400摄氏度下 将硅与玻璃之间加上电压产生静电引力而使两者结合在一起 分子装配技术 分子装配技术是