微细加工技术

1、微细加工技术2021-10-222021-10-22一、制造技术自身加工的极限一、制造技术自身加工的极限第第1 1节节 微细加工技术的出现微细加工技术的出现现代制造技术的两大发展趋势：现代制造技术的两大发展趋势：1)1)自动化、柔性化、集成化、智能化等方向发展自动化、柔性化、集成化、智能化等方向发展-制制造系统自动化；造系统自动化；2)2)极小尺度、极大尺度和极端功能。极小尺度、极大尺度和极端功能。微细加工微细加工-属于极小尺度的精密加工范畴。属于极小尺度的精密加工范畴。2021-10-22二、微细加工出现的历史背景二、微细加工出现的历史背景1.1.精密机械仪器仪表零件的微细加工精密机械仪器仪

2、表零件的微细加工2.2.电子设备微型化和集成化的需求电子设备微型化和集成化的需求微细加工是电子设备微型化和集成化的关键技术之一。微细加工是电子设备微型化和集成化的关键技术之一。3.3.集成电路的制作技术集成电路的制作技术集成电路是电子设备微型化和集成化中的重要元件。集成电路是电子设备微型化和集成化中的重要元件。微细加工技术的出现和发展与集成电路密切相关。微细加工技术的出现和发展与集成电路密切相关。微机械的主要产品分类微机械的主要产品分类 微构件微构件 （微薄膜、微轴、微孔、微梁、微探针、微连杆、（微薄膜、微轴、微孔、微梁、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微弹簧微齿轮、微轴承、微弹簧 ） 微传感

3、器（压力传感器、加速度计、位移传感器、流量计、微传感器（压力传感器、加速度计、位移传感器、流量计、温度传感器、微触觉传感器、微型生物传感器、微型图像温度传感器、微触觉传感器、微型生物传感器、微型图像传感器、微陀螺仪传感器、微陀螺仪 ） 微执行器微执行器 （微电机、微阀、微泵、微开关、微扬声器、（微电机、微阀、微泵、微开关、微扬声器、微谐振器微谐振器 ） 专用微机械器件及系统专用微机械器件及系统 （人造器官、体内施药及取样微（人造器官、体内施药及取样微型泵、微型手术机器人型泵、微型手术机器人 ）2021-10-22集成了17个传感器的机器蚂蚁（MIT） IROBOT公司的PACKBOT反恐机器人

4、 微小军用机昆虫 2021-10-22一、微细加工的概念一、微细加工的概念第第2 2节节 微细加工的概念和加工方法微细加工的概念和加工方法微细加工技术微细加工技术：广义上包含各种传统精密加：广义上包含各种传统精密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的新方工方法和与传统精密加工方法完全不同的新方法；狭义上，半导体集成电路制造技术。法；狭义上，半导体集成电路制造技术。整体微细加工技术整体微细加工技术：用各种微细加工方法在：用各种微细加工方法在集成电路基片上制造出各种微型运动机械，即集成电路基片上制造出各种微型运动机械，即微型机械和微型机电系统。微型机械和微型机电系统。2021-10-22二、微细加

5、工方法分类二、微细加工方法分类微细加工方法分类与精密加工方法相同微细加工方法分类与精密加工方法相同. .考虑加工对象与集成电路关系密切考虑加工对象与集成电路关系密切, ,一般按一般按分离加工、结合加工、变形加工分离加工、结合加工、变形加工的加工机的加工机理分类理分类. .分分 类类加工方法加工方法可加工材料可加工材料应应 用用切削加工切削加工（传统加工）（传统加工）等离子体切削等离子体切削微细切削微细切削微细钻削微细钻削各种材料各种材料有色金属及其合金有色金属及其合金低碳钢、铜、铝低碳钢、铜、铝熔断钼、钨等高熔点材料，硬质合金熔断钼、钨等高熔点材料，硬质合金球，磁盘，反射镜，多面棱镜球，磁盘，

6、反射镜，多面棱镜油泵油嘴，化学喷丝头，印刷电路板油泵油嘴，化学喷丝头，印刷电路板磨料加工磨料加工（传统加工）（传统加工）微细磨削微细磨削研磨研磨抛光抛光弹性发射加工弹性发射加工喷射加工喷射加工黑色金属、硬脆材料黑色金属、硬脆材料金属、半导体、玻璃金属、半导体、玻璃金属、半导体、玻璃金属、半导体、玻璃金属、非金属金属、非金属金属、玻璃、水晶金属、玻璃、水晶集成电路基片的外圆、平面磨削集成电路基片的外圆、平面磨削平面、孔、外圆加工，硅片基片平面、孔、外圆加工，硅片基片平面、孔、外圆加工，硅片基片平面、孔、外圆加工，硅片基片硅片基片硅片基片刻槽，切断，图案成形，破碎刻槽，切断，图案成形，破碎特种加工

7、特种加工（非传统加工）（非传统加工）电火花成形加工电火花成形加工电火花切割加工电火花切割加工电解加工电解加工超声波加工超声波加工微波加工微波加工电子束加工电子束加工粒子束去除加工粒子束去除加工激光去除加工激光去除加工光刻加工光刻加工导电金属，非金属导电金属，非金属导电金属导电金属金属，非金属金属，非金属硬脆金属，非金属硬脆金属，非金属绝缘金属，半导体绝缘金属，半导体各种材料各种材料各种材料各种材料各种材料各种材料金属，非金属，半导体金属，非金属，半导体孔，沟槽，狭缝，方孔，型腔孔，沟槽，狭缝，方孔，型腔切断，切槽切断，切槽模具型腔，大空，切槽，成形模具型腔，大空，切槽，成形刻模，落料，切片，打

8、孔，刻槽刻模，落料，切片，打孔，刻槽在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔打孔，切割，光刻打孔，切割，光刻成形表面，刃磨，割蚀成形表面，刃磨，割蚀打孔，切断，划线打孔，切断，划线划线，图形成形划线，图形成形复合加工复合加工电解磨削电解磨削电解抛光电解抛光化学抛光化学抛光各种材料各种材料金属，半导体金属，半导体金属，半导体金属，半导体刃磨，成形，平面，内圆刃磨，成形，平面，内圆平面，外圆，型面，细金属丝，槽平面，外圆，型面，细金属丝，槽平面平面2021-10-22分离加工分离加工分分 类类加工方法加工方法可加工材料可加工材料应应 用用附着加工附着加工蒸镀蒸镀分子束镀膜分子束镀膜

9、分子束外延生长分子束外延生长离子束镀膜离子束镀膜电镀电镀(电化学镀电化学镀)电铸电铸喷镀喷镀金属金属金属金属金属金属金属、非金属金属、非金属金属金属金属金属金属、非金属金属、非金属镀膜、半导体器件镀膜、半导体器件镀膜、半导体器件镀膜、半导体器件半导体器件半导体器件干式镀膜、半导体器件、刀具、工具干式镀膜、半导体器件、刀具、工具电铸型、图案成形、印制线路板电铸型、图案成形、印制线路板喷丝板、栅网、网刃、钟表零件喷丝板、栅网、网刃、钟表零件图案成形、表面改性图案成形、表面改性注入加工注入加工离子束注入离子束注入氧化、阳极氧化氧化、阳极氧化扩散扩散激光表面处理激光表面处理金属、非金属金属、非金属金属

10、金属金属、半导体金属、半导体金属金属半导体掺杂半导体掺杂绝缘层绝缘层掺杂、渗碳、表面改性掺杂、渗碳、表面改性表面改性、表面热处理表面改性、表面热处理结合加工结合加工电子束焊接电子束焊接超声波焊接超声波焊接激光焊接激光焊接金属金属金属金属金属、非金属金属、非金属难熔金属、化学性能活泼金属难熔金属、化学性能活泼金属集成电路引线集成电路引线钟表零件、电子零件钟表零件、电子零件2021-10-22结合加工结合加工加工方法加工方法可加工材料可加工材料应应 用用压力加工压力加工铸造铸造(精铸、压铸精铸、压铸)金属金属金属、非金属金属、非金属板、丝的压延、精冲、拉拔、挤压、波导管、衍射光栅板、丝的压延、精冲

11、、拉拔、挤压、波导管、衍射光栅集成电路封装、引线集成电路封装、引线2021-10-22变形加工变形加工2021-10-221-1-发射阴极发射阴极 2-2-控制栅极控制栅极 3-3-加速加速阳极阳极 4-4-聚焦系统聚焦系统 5-5-电子束斑点电子束斑点 6-6-工件工件 7-7-工作台工作台一、微细加工的基础技术一、微细加工的基础技术第第3 3节节 微细加工方法微细加工方法1.电子束加工电子束加工（electron beam machining，EBM）是在真空条件下，利用电子枪是在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后能量密中产生的电子经加速、聚焦后能量密度为度为106109w/

12、cm2的极细束流高速的极细束流高速冲击到工件表面上极小的部位，并在冲击到工件表面上极小的部位，并在几分之一微秒时间内，其能量大部分几分之一微秒时间内，其能量大部分转换为热能，使工件被冲击部位的材转换为热能，使工件被冲击部位的材料达到几千摄氏度，致使材料局部熔料达到几千摄氏度，致使材料局部熔化或蒸发，来去除材料。化或蒸发，来去除材料。利用电子束热效应加工利用电子束热效应加工2021-10-22束径小、能量密度高；束径小、能量密度高；束径束径100-0.01100-0.01m，可加工深孔，可加工深孔被加工对象范围广；被加工对象范围广；金属、非金属、半导体等材料金属、非金属、半导体等材料加工速度快，

13、效率高；加工速度快，效率高；控制性能好，易于实现自动化。控制性能好，易于实现自动化。电子束加工特点及其应用电子束加工特点及其应用2021-10-22第第4 4节节 微细加工方法微细加工方法2.离子束加工离子束加工（ion beam machiningion beam machining，IBMIBM）是在真空条件下利用离子源是在真空条件下利用离子源（离子枪）产生的离子经加速聚（离子枪）产生的离子经加速聚焦形成高能的离子束流投射到工焦形成高能的离子束流投射到工件表面，使材料变形、破坏、分件表面，使材料变形、破坏、分离以达到加工目的。离以达到加工目的。因为离子带正电荷且质量是电子因为离子带正电荷且

14、质量是电子的千万倍，且加速到较高速度时，的千万倍，且加速到较高速度时，具有比电子束大得多的撞击动能，具有比电子束大得多的撞击动能，因此，因此，离子束撞击工件将引起变离子束撞击工件将引起变形、分离、破坏等机械作用形、分离、破坏等机械作用，而，而不像电子束是通过热效应进行加不像电子束是通过热效应进行加工。工。2000)/(4mmmmEE2021-10-22(1)(1)离子束的力效应及其溅射现象离子束的力效应及其溅射现象离子束溅射现象离子束溅射现象：质量大动能高的离子冲击工件表面时，质量大动能高的离子冲击工件表面时，将产生弹性碰撞，将能量传递给工件材料的原子、分子，其中将产生弹性碰撞，将能量传递给工

15、件材料的原子、分子，其中一部分能量使原子、分子产生溅射，被抛出工件表面。一部分能量使原子、分子产生溅射，被抛出工件表面。直线弹性一次碰撞所传递动能直线弹性一次碰撞所传递动能2021-10-22(2)(2)离子束加工方法离子束加工方法1)1)离子束溅射去除离子束溅射去除离子刻蚀离子刻蚀 这种加工本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为这种加工本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为离子铣削。离子铣削。 离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等的高精料及超高精度非球面透镜，还可用于

16、刻蚀集成电路等的高精度图形。度图形。2021-10-22离子溅射沉积离子溅射沉积 采用能量为采用能量为0.10.15keV5keV的氩离子轰击某种材料制成的氩离子轰击某种材料制成的靶材，将靶材原子击出并令其沉积到工件表面上的靶材，将靶材原子击出并令其沉积到工件表面上并形成一层薄膜。并形成一层薄膜。 实际上此法为一种镀膜工艺。实际上此法为一种镀膜工艺。2021-10-222)2)离子束溅射镀膜加工离子束溅射镀膜加工具有高灵敏度和分辨力。能对线宽小于具有高灵敏度和分辨力。能对线宽小于0.10.1m m的精密的精密精细图形曝光。精细图形曝光。2021-10-223)3)离子束曝光离子束曝光2021-

17、10-22(3)(3)离子束加工的特点及其应用离子束加工的特点及其应用1)1)加工精度和表面质量高。加工精度和表面质量高。不产生热量，无机械应力和损伤。不产生热量，无机械应力和损伤。离子束直径可在离子束直径可在1 1m m内，加工精度可内，加工精度可达达nmnm级。级。2)2)加工材料广泛。加工材料广泛。各种材料各种材料3)3)加工方法丰富多样。加工方法丰富多样。4)4)控制性能好，易于实现自动控制性能好，易于实现自动化。化。5)5)应用范围广泛。应用范围广泛。直径小、能量密度大的离子束用于加工；直径小、能量密度大的离子束用于加工；直径大、能量密度低的离子束适于镀膜、刻蚀；直径大、能量密度低的

18、离子束适于镀膜、刻蚀；直径大、能量强的离子束适于注入加工。直径大、能量强的离子束适于注入加工。2021-10-22微细加工的基础技术微细加工的基础技术第第4 4节节 微细加工方法微细加工方法激光加工激光加工（laser beam machining，LBM）是在光热效应是在光热效应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用过程。下产生的高温熔融和冲击波的综合作用过程。 通过光学系统将激光束聚焦成尺寸与光波波长通过光学系统将激光束聚焦成尺寸与光波波长相近的极小光斑，温度可达一万摄氏度，将材相近的极小光斑，温度可达一万摄氏度，将材料在瞬间（料在瞬间（10-3s）熔化和蒸发，熔融物被产生）熔化和蒸发，熔融物

19、被产生的强烈冲击波喷溅出去。的强烈冲击波喷溅出去。激光加工机理激光加工机理热效应热效应2021-10-22激光加工方法激光加工方法1)1)激光打孔激光打孔最小孔径几微米，深度可达直径的最小孔径几微米，深度可达直径的5050倍。孔倍。孔径和深度可采用经验公式估算。径和深度可采用经验公式估算。2021-10-22激光加工方法激光加工方法2)2)激光切割激光切割常采用常采用COCO2 2气体激光器以连续或脉冲方式切割。气体激光器以连续或脉冲方式切割。3)3)激光微调激光微调用于调整电路中某些元件参数。用于调整电路中某些元件参数。( (调电阻，无损调电阻，无损伤照射，改变膜结构；高能量照射，使部分电阻膜气伤照射，改变膜结构；高能量照射，使部分电阻膜气化去除化去除) )4)4)激光表面改性激光表面改性改变材料表面的物理结构、化学成分和金相