先进制造技术--第九次教案

教案授课时间月 日 至 月 日课时数授课方式理论课 讨论课 习题课 实验课 上机课 技能课 其他授课单元第三章 先进制造工艺技术（第六节 微细加工技术）目的与要求1掌握MEMS的概念2. 掌握光刻加工、LIGA加工工艺的过程3.了解微型机械加工技术涉及的关键技术重点与难点重点：MEMS的概念；掌握光刻加工、LIGA加工工艺的过程难点：微型机械加工技术涉及的关键技术主要内容第六节 微细加工技术 MEMS的概念；微机械的特征；微细加工技术涉及的关键技术；微细加工工艺；微细加工技术的应用领域；微细加工技术的发展与趋势 教学方法手段（教具）本章部分内容要求学生自学、自讲（查阅资料，写出自学笔记，并上台讲述）；要求写出自学笔记，讲稿。其目的是培养学生自学及口头表达能力，并活跃课堂气氛，调动学习积极性。教师略讲，主要以讨论、提问的方式进行参考资料1.盛晓敏著先进制造技术北京：机械工业出版社，2000。2.孙大涌著先进制造技术北京：机械工业出版社，1999。3.张根保著先进制造技术重庆：重庆大学出版社，1996。 4.中国机械工程、机械工程学报、制造技术与机床等科技核心期刊。思考题、作业讲稿第六节 微细加工技术一、概述1.微型机械加工技术概念、范围及技术地位微型机械（Micro machine,日本惯用词）或称微型机电系统（Micro Electro-Mechanical Systems,美国惯用词）或微型系统（Micro systems,欧洲惯用词）。它是指可以批量制作的集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、甚至外围接口、通信电路和电源等一体的微型器件或系统。 其特征尺寸范围为1nm10mm.微机械（也称微型机电系统）按外形尺寸特征： 微小机械：110mm； 微机械：1m1mm； 纳米机械：1nmlm。 MEMS系统小型化后的单板系统、传感器芯片与集成电路芯片封装在一起的多模块(MCM) 系统,传感器与集成电路制作在一个芯片上的单芯片系统。从表面看,这个框图与传统的自动控制系统没有明显区别,但与传统的系统相比,微型传感器的使用将系统的体积明显缩小。 在MEMS 中: 微传感器是将外部的力、热、声、光、化学等信息转化为电信号,并传给处理电路; 处理电路对信号进行放大、转换、计算等处理,并对微执行器发出指令; 微执行器根据指令对外部发生动作。 2. 微机械加工技术的特征与传统的微电子和机械加工技术相比，MEMS技术具有以下几个显著的特点：（1）微型化MEMS技术已经达到微米乃至亚微米量级，利用MEMS技术制作的器件具有体积小、耗能低、惯性小、频率高、响应时间短等特点，可携带性得以提高。（2）集成化微型化利于集成化，把不同功能、不同敏感方向和制动方向的传感器、执行器集成于一体，形成传感器阵列，甚至可以与IC 一起集成为更复杂的微系统。（3）以硅为基本材料 主要有晶体硅和氮化硅等。 硅：力学特性良好，具有高灵敏性，强度、硬度和弹性模量与铁相当，密度同铝，仅为钢的三分之一，热传导率接近铜和钨。（4）生产成本低在一个硅片上可同时制作出成千上万的微型部件或MEMS，制作成本大幅度下降，有利于批量生产。（5）多学科交叉 MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。3. 微型机械加工技术的发展现状微型机械在国外已受到政府部门、企业界、高等院校与研究机构的高度重视。 美国是对微型机械最早研究并试制成功的国家。美国工业界主要致力于传感器有关领域的研究。有关微型机械系统的工作几乎全部在大学进行，如康奈尔大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、密执安大学、威斯康呈大学等。 日本在1989年成立了微型机械研究会，集中了日本学术界和产业界的个导体技术、医疗器械、精密机械和医学方面的研究人员，对微型机械进行开拓性的全面研究和开发。 欧洲工业发达国家也相继对微型系统的研究开发进行了重点投资：德国组织全国的大学、研究所和企业对微型机械进行研制，将其列入大学的必修课程，并把微系统列为2000年科技发展的重点。 瑞士在其传统的钟表制造业和小型精密机械加工业的基础上也投入微型机电系统的开发工作。 英国政府制定了纳米科学计划，在机械、光学、电子学等领域列出了8个项目进行研究和开发。 欧共体组成多功能做系统研究网络，联合协调46个企业和64个研究机构的研究。 我国开展微型机械研究并不很晚。中国科学院微型机械研究起步于1989年。1993年、1994年先后在国家基金委、国家科委列入了微型机械的重点项目和重大项目。国内主要研究单位有清华大学、中科院上海冶金所和中科院长春光机所等。目前已有大量的微型机械或微型系统被研制出来。 例如：尖端直径为5m的微型镊子可以夹起一个红血球；尺寸为7mm x 7mm x 2mm的微型泵流量可达250lmin； 能开动的3mm大小的汽车； 日本研制的数厘米见方的微型车床可加工精度达1.5m的微细轴。 哈尔滨工业大学研制出了电致伸缩陶瓷驱动的二自由度微型机器人，其位移范围为l0ml0m，位移分辨率为0.01m； 清华大学开展并研制出了微电动机、多晶硅粱结构、微泵与阀。二、微型机械加工技术涉及的关键技术 微型机械涉及许多关键技术，当一个系统的特征尺寸达到微米和纳米量级时，将会产生许多新的科学问题，传统的设计和分析方法将不再适用，微摩擦学、微热力学等问题在微系统研究中将至关重要。微型机械加工技术领域有以下前沿关键技术： (1)微型系统设计技术 主要是微结构设计数据库、有限元边界分析、CADCAM、仿真和拟实技术、微系统建模等；微小型化的尺寸效应和微小型化理论基础研究。 (2)微细加工技术 主要指高深宽比多层微结构的硅表面加工和体加工技术，利用x射线光刻、电铸的LIGA和利用紫外光刻的准LIGA加工技术；微结构特种精密加工技术，包括微电火花加工、能束加工、立体光到成形加工；特殊材料特别是功能材科微结构的加工技术。(3)微型机械组装和封装技术 指使用粘接材料的粘接、硅玻璃静电封接、硅硅键合技术和自对准组装技术；具有三维可动部件的封装技术、真空封装技术；新封装技术的探索。 (4)微系统的表征和测试技术 微结构材料特性测试技术；微小力学、电学等物理量的测量技术、微型器件及微型系统性能的表征和测试技术；微型系统动态特性测试技术；微结构、微型器件和微型系统的可靠性测量和评价技术。三、微型机械的微细加工工艺微型机械加工技术：制作微机械或微型装置的微细加工技术。 微型机械加工技术的出现和发展最早是和大规模集成电路密切相关的。集成电路要求在微小面积的半导体材料能容纳更多的电子元件，以形成功能复杂而完善的电路。 微型机械的微细加工工艺：有半导体加工技术、LIGA(光刻电铸)加工、准LIGA加工、集成电路（IC）技术、超微细机械加工、微细电火花加工、等离子体加工、激光加工、离子束加工、电子束加工、快速原型制造技术及键合技术等。1.半导体加工技术半导体加工技术即半导体表面和立体的微细加工，指在以硅为主要材料的基片上进行沉积、光刻与腐蚀的工艺过程。 半导体加工技术使微型系统的制作具有低成本、大批量生产的潜力。（1）光刻加工技术光刻加工是用照相复印的方法将光刻掩模上的图形印制在涂有光致抗蚀剂(光刻胶)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。 光致抗蚀剂是一类经光照后能发生交联、分解或聚合等光化学反应的高分子溶液。 光刻工艺的基本过程：涂胶、曝光、显影、坚膜、腐蚀、去胶等步骤。在制造大规模、超大规模集成电路等场合，需采用CAD技术，把集成电路设计和制版结合起来，即进行自动制版。离子束4. 刻蚀（形成沟槽）5. 沉积（形成电路）6. 剥膜（去除光致抗蚀剂）3. 显影、烘片（形成窗口）窗口2. 曝光（投影或扫描）掩膜电子束电子束光刻大规模集成电路加工过程 光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）1. 涂胶（光致抗蚀剂）氧化膜光致抗蚀剂基片（2）体微型机械加工技术 是一种对硅衬底的某些部位用腐蚀技术有选择地除去一部分以形成微型机械结构的工艺。常用的主要有湿法腐蚀和干法腐蚀两种。 湿法腐蚀是应用化学腐蚀的方法对硅片进行加工的技术，一般用各向同性化学腐蚀、各向异性化学腐蚀和电化学腐蚀。 干法腐蚀是利用粒子轰击对材料的某些部位进行选择性腐蚀的方法。 等离子体腐蚀、离子束和溅射腐蚀、反应离子束腐蚀等工艺来腐蚀多晶硅膜、氧化硅膜、氮化硅膜以形成微型机械结构。（3）表面微型机械加工技术 是在硅表面根据需要生长多层薄膜，如二氧化硅、多晶硅、氰化硅、磷硅玻璃膜层；采用选择性腐蚀技术，去除部分不需要的膜层，在硅平面上形成所需要的形状，甚至是可动部件。去除的部分膜层一般称为“牺牲层”，整个加工过程都在硅片表面层上进行，其核心技术是“牺牲层”技术。 优点是：在制造过程中所使用的材料和工艺与常规集成电路生产有很强的兼容性，不必另外投资；只要在制膜上略加改动，就可以用同样的方法制造出大量的不同结构。 此类微细加工技术可以制作活动构件如转子、齿轮等，还可以制造多种谐振式、电容式、应变式传感器和静电式、电磁式执行器，如微电机、谐振器等。2. LIGA光刻电铸技术LIGALithographie Galvanoformung Abformung X射线曝光、微电铸、微铸塑。LIGA技术是20世纪80年代初期德国卡尔斯鲁耳原子能研究中心为铀235研制微型喷嘴结构的过程中产生的。该技术是一种由半导体光刻工艺派生主来的，采用光刻方法一次生成三维空间微型机械构件的方法，经过十几年的发展已趋成熟。 LIGA由深层同步X射线光刻、电铸成形、塑注成形组合而成。包括三个主要工序： 1）以同步加速器放射的短波长（1nm）X射线作为曝光光源，在厚度达0.5mm的光致抗蚀剂上生成曝光图形的三维实体；光刻出所要求的图形。 2）用曝光蚀刻图形实体作电铸模具，生成铸型；将样品浸入电解液中在凹槽处电镀金属，去除光刻胶和隔离层。电铸方法制作出与光刻胶图形相反的金属模具。 3）以生成的铸型作为模具，加工出所需微型零件。X射线曝光腐蚀溶解抗蚀剂电铸铸型注射成形零件用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等；可以制作高度达0.10.5mm，高宽比大于200的三维微结构（图7-60），形状精度达亚微米；可以实现大批量复制，成本较低微传感器、微电机、微机械零件、微光学元件、微波元件、真空电子元件、微型医疗器械等广泛应用于加工、测量、自动化、电子、生物、医学、化工等领域。这种技术能实现高深宽比的三维结构，其关键是深层光刻技术；另一方面要求用于IIGA技术的抗蚀剂必须有很好的分辩力，机械强度，低应力，同时还要求基片粘附性好。 LIGA技术的最大优势在于：为实现高深宽比，纵向尺寸达到数百微米的深度刻蚀，并且侧壁光滑，垂直，一方面需要高强度，平行性很好的光源，这样的光源只有用同步辐射X光才能满足由于LIGA 技术需要昂贵的同步辐射X 射线光源、X 射线掩模板，加工周期较长，大大限制了其应用。近来，已开发了多种替代工艺，如用紫外光刻的UV- LIGA，用激光烧蚀的Laser- LIGA，用硅深刻蚀工艺的Si- LIGA和DEM技术及用离子束刻蚀的IB- LIGA 技术等。虽这些技术达到的技术指标低于同步辐射LIGA 技术，但于其成本低、加工周期短等优点，大大扩展了LIGA 技的应用领域。3.集成电路(IC)技术 这是一种发展十分迅速且较成熟的制作大规模电路的加工技术，在微型机械加工中使用较为普遍，是一种平面加工技术。 但该技术的刻蚀深度只有数百纳米，且只限于制作硅材料的零部件。4. 超微型机械加工和电火花线切割加工用小型金属切削机床及电火花、线切割等加工方法，制作毫米级尺寸左右的微型机械零件，是一种三维实体加工技术，加工材料广泛，但多是单件加工、单位装配，费用较高。 微细车削加工适合所有金属材料、塑料及工程陶瓷，适合具有回转表面的微型零件加工，如圆柱体、螺纹表面、沟槽、圆孔及平面加工，切削方式有车削、铣削、钻削。 精密微细磨削可用于硬脆材料的圆柱体表面、沟槽、切断的加工。 微细电火花加工是利用微型EDM电极对工件进行电火花加工，可以对金属、聚晶金刚石、单晶硅等导体、半导体材料做垂直工件表面的孔.四、微型机械加工技术应用领域1.微传感器 微型传感器是MEMS的一个重要组成部分。1962年第一个硅微型威力传感器问世，开创了MEMS的先河。现在已经形成产品和正在研究中的微型传感器有：压力、力、力矩、加速度、速度、位置、流量、电量、磁场、温度、气体成分、湿度、pH值、离子浓度和生物浓度、微陀螺、触觉传感器等等。微型传感器正朝着集成化和智能化的方向发展。 国外某公司大批量生产的硅微加速度计。中间是传感的机械部分，四周为包括电信号源、放大器、信号处理和自校正电路等的集成电路，集成在3mm3mm的芯片上，采用硅平面微细加工工艺制作，一块直径10厘米的硅片上可做出几百只微加速度计。已大量用于汽车的防碰撞气袋，每支只需几美元。2.微型执行器 微型电机是一种典型的微型执行器，可分为旋转式和直线式两类。 其他的微型执行器还有：微开关、微谐振器、微阀、微泵等。如：可用于物体的搬送、定位，用于飞机的灵巧蒙皮。 微型执行器的驱动方式主要有：静电驱动、压电驱动、电磁驱动、形状记忆合金驱动、热双金属驱动、热气驱动等等。 清华大学研制的微型泵硅微静电电机。微泵有进出口阀、利用双金属热致动的泵膜和泵腔，在一个2英寸硅片上制作了16个泵片。微电机由两层多晶硅组成转子、定子和轴承，在外围的定子和中间的转子间加交变电压，静电力拉动转子转动，转子直径只有头发丝粗细。3. 微型生物化学芯片 微型生物化学芯片是利用微细加工工艺，在厘米见方的硅片或玻璃等材料上集成样品预处理器、微反应器、微分离管道、微检测器等微型生特化学功能器件、电子器件和微流量器件的微型生物化学分析系统。 与传统的分析仪器相比，微型生物化学分析系统除了体积小以外，还具有分析时间短，样品消耗少，能耗低，效率高等优点。可广泛用于临床、环境临测、工业实时控制。 芯片上的生物化学分析系统还使分析的并行处理成为可能，即同时分析数十种甚至上百种的样品，这将大大缩短基因测序过程，因而将成为人类基因组计划中重要的分析手段，有人称其为本世界最后一次技术革命。4.微型机器人 随着电子器件的不断缩小，组装时要求的精密度也在不断增加。科学家正在研制微型机器人，能在桌面大小的地方组装象硬盘驱动器之类的精密小巧的产品。 军队也对这种微型机器人表现了浓厚的兴趣。他们设想制造出大到鞋盒子，小到硬币大小的机器人，它们会爬行，跳跃，到达敌军后方，为不远处的部队或千里之外的总部收集情报。这些机器人是廉价的，可以大量部署，它们可以替代人进入难以进入或危险的地区，进行侦察、排雷和探测生化武器战争。 日本已制作出利用太阳电池的微小