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1 0 1微米 表面粗糙度为Ra0 1 0 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10 m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1 3 m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 1nm 100nm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1 m 1mm 考虑到当前的技术水平 尺寸在1 10mm的小型机械和将来利用生物工程和分子组装可实现的1nm 1 m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