微细加工技术概述

1、微细加工技术概论2一、微细加工技术的出现制造技术是直接创造财富的基础，是国民经济得以发展和制造业本身赖以生存的主体技术。微细加工技术是制造微小尺寸零件的加工技术。现代制造技术的发展有两大趋势：一是向着自动化、柔性化、集成化、智能化等方向发展，使现代制造成为一个系统，即现代制造系统的自动化技术；另一个就是寻求固有制造技术的自身加工极限。3微小机械学发展 微机械或微电子机械系统(MEMS)是20世纪80年代后期发展起来的一门新兴学科。它给国民经济、人民生活和国防、军事等带来了深远的影响，被列为21世纪关键技术之一。4 随着微/纳米科学与技术的发展，以形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已成为人

2、们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术。 微机械由于具有能够在狭小空间内进行作业而又不扰乱工作环境和对象的特点，在航空航天、精密仪器、生物医疗等领域有着广阔的应用潜力，受到世界各国的高度重视。 微小机械学发展 5 微机械涉及的基本技术主要有：微机械设计；微机械材料；微细加工；集成技术；微装配和封接；微测量；微能源；微系统控制等。 微机械的制造和生产离不开微细加工技术。 微小机械学发展 6机械的微型化及相关的制造技术传统机械纳米机械微小型机械传统制造技术微细制造技术MEMS技术纳米制造技术7 二、微细加工的概念及其特点 微细加工技术的产生和发展一方面是加工技术自身发展的必然，同时也是新兴的

3、微型机械技术发展对加工技术需求的促进。超精加工在20世纪的科技发展中做出了巨大的贡献。东京工业大学的谷口纪男教授首先提出了纳米技术术语，明确提出以纳米精度为超精密加工的奋斗目标。8 微细加工的概念所谓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。 广义地讲，微细加工技术包含了各种传统精密加工方法和与其原理截然不同的新方法，如微细切削磨料加工、微细特种加工、半导体工艺等； 狭义地讲，微细加工技术是在半导体集成电路制造技术的基础上发展起来的，微细加工技术主要是指半导体集成电路的微细制造技术，如气相沉积、热氧化、光刻、离子束溅射、真空蒸镀等。9 微细加工的概念目前微细加工领域的几大流派：以

4、美国为代表的硅基以美国为代表的硅基MEMSMEMS技术技术以德国为代表的以德国为代表的LIGALIGA技术技术以日本为代表的机械加工方法的微细化以日本为代表的机械加工方法的微细化他们的研究与应用情况基本代表了国际微细加工的水平和方向，应密切关注。10微细加工与常规尺寸的加工的机理是截然不同的。微细加工与一般尺度加工的主要区别体现在：1. 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。加工单位概念的引入。2. 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。3.加工特征明显不同。一般加工

5、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。 微细加工的概念11微细加工作为精密加工领域中的一个极重要的关键技术，目前有如下的几个特点：1. 微细加工和超微细加工是多学科的制造系统工程；2. 微细加工和超微细加工是多学科的综合高新技术；3. 平面工艺是微细加工的工艺基础；4. 微细加工技术和精密加工技术互补；5. 微细加工和超微细加工与自动化技术联系紧密；6.微细加工检测一体化。 微细加工的特点12三、微细加工机理 微细切削加工为微量切削，又可称之为极薄切削。机理与一般普通切削有的很大区别。 在微细切削时，由于工件尺寸很小，从强度和刚度

6、上不允许有大的吃刀量，同时为保证工件尺寸精度的要求，最终精加工的表面切除层厚度必须小于其精度值，因此切屑极小，吃刀量可能小于晶粒的大小，切削就在晶粒内进行，晶粒就被作为一个一个的不连续体来进行切削，这时切削不是晶粒之间的破坏，切削力一定要超过晶体内部非常大的原子、分子结合力，刀刃上所承受的切应力就急速地增加。13微细加工机理 1切削厚度与材料剪切应力关系在微切削时，切削往往在晶粒内进行，切削力一定要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)急剧增大，刀刃上所承受的剪切应力变得非常大，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，因此要求采用耐热性高、高温

7、硬度高、耐磨性强、高温强度好的刀刃材料，即超高硬度材料，最常用的是金刚石等。 14微细加工机理 2材料缺陷分布的影响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：1)晶格原子晶格原子(10-6mm) 在晶格原子空间的破坏就是把原子一个个去除。2)点缺陷点缺陷(10-610-4mm) 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。3)位错缺陷位错缺陷(10-410-2mm) 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，故又称为线缺陷。在晶体内部，一般情况下大约大约1 m左右的间隔内就有一个位错缺陷。左右的间隔内就有一

8、个位错缺陷。4)晶界、空隙和裂纹晶界、空隙和裂纹(10-21mm) 它们的破坏是以缺陷面为基础的晶粒间破坏。5)缺口缺口(1mm以上以上) 缺口空间的破坏是由于拉应力集中而引起的破坏。在微切削去除时，当应力作用的区域在某个缺陷空间范围内，则将以与该区域相应的破坏方式而破坏。各种破坏方式所需的加工能量也是不同的。15微细加工机理 16不同微细加工方法的加工机理根据各种方法的加工机理的不同，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，如蒸镀、

9、沉积、生长、渗入等。可分为附着、注入和接合三类。附着是指在材料基体上附加一层材料；注入是指材料表层经处理后产生物理、化学、力学性能的改变，也可称之为表面改性；接合则是指焊接、粘接等。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。17四、高能束流微细特种加工技术 高能束流加工是利用能量密度很高的电子束、激光束或离子束等去除工件材料的特种加工方法的总称。 高能束流18高能束流微细特种加工技术特点与应用：属于非接触加工，无成形工具，而且几乎可以加工任何材料，在精微加工、航空航天、电子、化工等领域中应用极广。多学科交叉：其研究内容极为丰富，涉及光学、电学、热力学、冶金学、金属物

10、理、流体力学、材料科学、真空学、机械设计和自动控制以及计算机技术等多种学科，是一种典型的多学科交叉技术。 19电子束加工原理1-工件 2-电子束 3-偏转线圈 4-电磁透镜电子束加工的原理电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高(106109W/cm2)的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，在很短的时间(几分之一微秒)内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。20电子束微细加工的特点1)束径小、能量密度高。能聚焦到0.1m，功率密度可达 109Wcm2量级。2)可加工材料的范围广。对非加工部分

11、的热影响小，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。3)加工效率高。每秒钟可以在2.5mm厚的钢板上钻50个直径为0.4mm的孔。4)控制性能好。5)电子束加工温度容易控制。6)污染小。 电于束加工的缺点是必须在真空中进行，需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵。 21电子束加工装置1、工作台系统 2、偏转线圈 3、电磁透镜 4、光阑 5、加速阳极 6、发射电子的阴极 7、控制栅极 8、光学观察系统 9、带窗真空室门 10、工件电子束加工装置主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。 阴极经电流加热发射电子，带负电荷的电子高速飞向阳极，在飞向阳极的过程中，经过加速极加速，又通过

12、电磁透镜聚焦而在工件表面形成很小的电子束束斑，完成加工任务。 221)电子枪电子枪是获得电子束的装置。它主要包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等。发射阴极一般用钨或钽制成。小功率时用钨或钽做成丝状阴极；大功率时用钽做成块状阴极。控制栅极为中间有孔的圆筒形，其上加以较阴极为负的偏压，既能控制电子束的强弱，又有初步的聚焦作用。加速阳极通常接地，而阴极接很高的负电压。2)真空系统真 空 系 统 是 为 了 保 证 在 电 子 束 加 工 时 维 持(1.3310-21.3310-4)Pa的真空度。因为只有在高真空中，电子才能高速运动。3)控制系统和电源电子束加工装置的控制系统包括束流聚焦控制、束流

13、位置控制、束流强度控制以及工作台位移控制等。 电子枪1、发射电子的阴极 2、控制栅极 3、加速阳极 4、工件电子束加工装置23 根据其功率密度和能量注入时间的不同，电子束加工可用于打孔、切割、蚀刻、焊接、热处理和光刻加工等。归纳起来，电子束在微细加工领域中的应用分为两大类：电子束热微细加工和电子束化学微细加工。 化学微细加工热微细加工电子束微细加工分离加工焊接镀膜掺杂退火电子束打孔电子束切割图形光刻化学反应镀膜电子束扫描曝光电子束投影曝光电子束微细加工的分类电子束微细加工的分类熔炼电子束微细加工的应用24应用一：电子束热微细加工 第一类为电子束热微细加工，电子束的能量较大(30keV几百keV

14、)，又称为高能量密度电子束加工，它是利用电子束的热效应，将电子束的动能在材料表面转换成热能而对材料实施加工的。25应用一：电子束热微细加工 高能量密度电子束加工因工件表面束流斑点的功率密度的不同又分为几种不同的加工方法： 1)当束流斑点功率密度为(10102)wmm2时，工件表面不熔化，主要用于电子束热处理； 2)当束流斑点功率密度为(102105)wmm2时，工件表面熔化，也有少量气化，主要用于电子束焊接和熔炼； 3)当束流斑点的功率密度为(105108)wmm2时，工件产生气化，主要用于电子束打孔、刻槽、切缝、镀膜和雕刻。26电子束打孔目前电子束打孔的最小直径已经可达0.001mm左右，而

15、且还能进行深小孔加工，如孔径在0.5-0.9mm时，其最大孔深已超过10mm，即孔的深径比大于15：1。与其它微孔加工方法相比，电子束的打孔效率极高，通常每秒可加工几十至几万个孔。利用电子束打孔速度快的特点，可以实现在薄板零件上快速加工高密度孔，这是电子束微细加工的一个非常重要的特点。电子束打孔已在航空航天、电子、化纤以及制革等工业生产中得到实际应用。 27 利用电子束在磁场中偏转的原理，使电子束在工件内部偏转，还可以利用电子束加工弯孔和曲面。电子束切割28电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺，在焊接不同的金属和高熔点金属方面显示了很大的优越性，已成为工业生产中的重要特种工艺之一。 电

16、子束焊接具有以下的工艺特点：(1)焊接深宽比高。(2)焊接速度高，易于实现高速自动化。(3)热变形小。 (4)焊缝物理性能好。 (5)工艺适应性强。 (6)焊接材料范围广。电子束微细焊接29 第二类为电子束化学微细加工，电子束的能量较小，一般小于30keV，主要用于大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路(VLSI)复杂图形的制备以及光刻掩膜图形的制备。 它利用电子束流的非热效应，功率密度较小的电子束流与电子胶(又称电子抗蚀剂)相互作用，电能转化为化学能，产生辐射化学或物理效应，使电子胶的分子链被切断或重新组合而形成分子量的变化以实现电子束曝光。包括电子束扫描曝光和电子束投影曝光。 电子束曝

17、光微细加工技术，已经成为生产集成电路元件的关键性加工手段。应用二：电子束化学微细加工30 目前微细加工中采用的曝光技术主要有电子束曝光技术、离子束曝光技术、X射线曝光技术、准分子激光曝光技术等。 其中： 离子束曝光技术具有最高的分辨率； 紫外准分子激光曝光技术具有最佳的经济性； 电子束曝光技术则代表了最成熟的亚微米级曝光技术。电子束曝光微细加工技术31 电子束曝光主要分为两类：扫描电子束曝光，又称电子束线曝光；投影电子束曝光，又称电子束面曝光。 电子束扫描是将聚焦到小于1m的电子束斑在大约(0.55)mm的范围内按程序扫描，可曝光出任意图形。扫描电子束曝光除了可以直接描画亚微米图形之外，还可以

18、制作掩膜，这是其得以迅速发展的原因之一。 投影电子束曝光的方法是使电子束先通过原版，再按比例缩小投影到电致抗蚀剂上进行大规模集成电路图形的曝光。它可以在几毫米见方的硅片上安排十万个以上晶体管或类似的元件。投影电子束曝光技术具有高分辨率和生产效率高、成本低的优点。电子束曝光微细加工技术32中科院电工研究所于2000年研制的DY-7电子束光刻机0.1m电子束曝光系统制作的“硅表面人工微结构”的PMMA胶图形，其最小线宽为80nm。 电子束曝光微细加工技术33离子束加工是利用离子束对材料进行成形或表面改性的加工方法，其加工原理和电子束加工基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，

19、使之打到工件表面从而对工件进行加工。离子束加工与电子束加工的本质区别在于：在离子束微细加工时，加速的物质是带正电的离子而不是电子，其质量比电子大数千万倍，如氩离子的质量是电子的7.2万倍，因此当离子被加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动能；其次，电子束加工主要是靠热效应进行加工，而离子束加工主要是通过离子撞击工件材料时引起的破坏、分离或直接将离子注入加工表面等机械作用进行加工。34 离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。 具有一定动能的离子斜射到工件材料(靶材)表面时，可以将表面的原子撞击出来，这就是离子的撞击效应和溅射效应。 如果离子能量

20、足够大并垂直工件表面撞击时，离子就会钻进工件表面，这就是离子的注入效应。 离子束加工的原理35离子束加工按照其所利用的物理效应相达到目的的不同，可以分为四类，即利用离子撞击和溅射效应的离子刻蚀、离子溅射沉积和离子镀，以及利用注入效应的离子注入。 a)离子刻蚀 b)溅射沉积 c)离子镀 d)离子注入 离子束加工的分类361)加工精度高，易于精确控制。离子束可以通过电子光学系统进行精确的聚焦扫描，其束流密度及离子能量可以精确控制，离子束轰击材料是逐层去除原子，因此，离子束加工是目前所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法。2)可加工的材料范围广泛。离子束加工是利用力效应原理，因此对脆性材料、半导

21、体材料、高分子材料等均可加工。由于加工是在真空环境下进行的，污染小，故尤其适于加工易氧化的金属、合金和高纯度半导体材料。3)加工表面质量高。离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种微观作用，宏观压力很小。4)离子束加工设备费用贵、成本高，加工效率较低。 离子束加工的特点37目前常用的离子束微细加工技术主要有：离子束曝光、刻蚀、镀膜、注入、退火、打孔、切割、净化等。 离子束曝光又称为离子束光刻，与电子束曝光技术相比，离子束曝光技术具有以下特点：1)离子的质量比电子大得多，而离子射线的波长又比电子射线的波长短得多，因此离子束曝光比电子束曝光可获得更高的分辨率；2)离子束曝光灵敏度比电子

22、束曝光灵敏度可高出一到二个数量级，曝光时间可缩短很多；3)离子束曝光可以制作十分精细的图形线条；4)离子束可以不用任何有机抗蚀剂而直接曝光。 离子束微细加工方法38离子束刻蚀离子束刻蚀主要分为:离子束溅射刻蚀、反应离子束刻蚀 、等离子体刻蚀离子溅射镀膜:离子溅射镀膜工艺适用于合金膜和化合物膜等的镀制。 离子镀:离子镀是在真空镀膜和溅射镀膜的基础上发展起来的一种镀膜技术。 离子注入:离子注入是将工件放在离子注入机的真空靶中，在几十至几百千伏的电压下，把所需元素的离子直接注入工件表面。 离子束微细加工方法39 离子束加工装置与电子束加工装置类似，主要包括离子源、真空系统、控制系统和电源等部分。主要

23、的不同点表现在离子源系统。 离子源用以产生离子束流。产生离子束流的基本原理和方法是使原子电离：把气态原子电离为等离子体(即正离子数和负电子数相等的混合体)，用一个相对于等离子体为负电位的电极(吸极)，从等离子体中引出离子束流，而后使其加速射向工件或靶材。离子束加工装置40激光作为一种新型光源，它和普通光源的区别在于发光的微观机制不同。激光的光发射则是以受激辐射为主，各个发光中心发出的光波都具有相同的频率、方向、偏振态和严格的相位关系。由于这种基本差别，激光具有强度或亮度高、单色性好、相干性好和方向性好这些突出优点。激光加工主要有以下特点:1)加工精度高。2)加工材料范围广泛。3)加工性能好。4

24、)加工速度快、热影响区小、效率高。4142 当能量密度极高的激光束照射在加工表面时，一部分从材料表面反射，一部分透入材料内，其光能被吸收，并转换为热能，是照射区域的温度迅速升高、熔化、气化和熔融溅出而去除材料。 可以说，激光加工的机理是热效应！激光加工的机理431)激光打孔用透镜将激光能量聚焦到工件表面的微小区域上，可使物质迅速气化而成微孔。已广泛应用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴加工、化纤喷丝板喷丝孔、钟表及仪表中的宝石轴承打孔、金刚石拉丝模加工等方面。激光打孔的效率极高，适合于自动化连续加工，加工的孔径可以小于0.01mm，深径比可达50：1以上。 激光加工方法44YAG激光加工系统加工的

25、25m小孔激光加工方法452)激光切割激光切割的原理与激光打孔基本相同。所不同的是，工件与激光束之间需要相对移动，通过控制二者的相对运动即可切割出不同形状和尺寸的窄缝与工件。激光切割大都采用重复频率较高的脉冲激光器或连续输出的激光器。但连续输出的激光束会因热传导而使切割效率降低，同时热影响层也较深。因此，在精密机械加工中，一般都采用高重复频率的脉冲激光器。YAG激光器输出的激光已成功地应用于半导体划片，重复频率为(520)Hz，划片速度为(1030)mms，宽度为0.06mm，成品率达99以上，比金刚石划片优越得多，可将一平方厘米的硅片切割几十个集成电路块或几百个晶体管管芯。激光加工方法463

26、)激光焊接激光焊接是将激光束直接照射到材料表面，通过激光与材料相互作用，使材料内部局部熔化(这一点与激光打孔、切割时的蒸发不同)实现焊接的。激光焊接可分为脉冲激光焊接和连续激光焊接等；激光焊接按其热力学机制又可分为激光热传导焊接和激光深穿透焊接等。激光焊接与常规焊接方法相比具有如下特点：(1)可对高熔点、难熔金属或两种不同金属材料进行焊接。(2)聚焦光斑小，加热速度快，作用时间短，热影响区小，热变形可以忽略。(3)激光焊接属于非接触焊接，无机械应力和机械变形、能透过透光物质对密封器内工件进行焊接。(4)激光焊接装置容易与计算机联机，能精确定位，实现自动焊接。激光加工方法474)激光表面改性利用

27、激光对材料表面进行处理可改变其物理结构、化学成分和金相组织，从而改善材料表面的物理、力学、化学性质，如硬度、耐磨性、耐疲劳性、耐腐蚀性等，称为激光表面改性技术。5)激光存储利用激光进行视频、音频、文字材料、计算机信息等的存取。激光加工方法48激光加工的基本设备包括激光器、电源、光学系统及机械系统等四大部分。激光器目前常用的激光器按激活介质的种类可以分为固体激光器和气体激光器。用于激光加工的固体激光器通常是掺钕钇铝石榴石激光器(简称Nd:YAG激光器)、钕玻璃激光器和红宝石激光器等，气体激光器通常是CO2激光器和准分子激光器。激光加工设备491)固体激光器固体激光器固体激光器一般采用光激励，能量

28、转化环节较多。光的激励能量大部分转换为热能，所以效率低。为了避免固体介质过热，固体激光器通常多采用脉冲工作方式，并用合适的冷却装置，较少采用连续工作方式。用于激光热加工的固体激光器主要有三种，即红宝石激光器、钕玻璃激光器和Nd:YAG激光器。 固体激光器结构示意图l、全反射镜 2、工作物质 3、玻璃套管 4、部分反射镜 5、聚光镜 6、氙灯 7、电源 激光加工设备502)气体激光器气体激光器气体激光器一般采用电激励，因其效率高、寿命长、连续输出功率大，所以广泛用于切割、焊接，热处理等加工。常用于材料加工的气体激光器有二氧化碳激光器、氩离子激光器和准分子激光器等。二氧化碳激光器连续输出功率可达万瓦，是目前连续输出功率最高的气体激光器。氩离子激光器是惰性气体氩(Ar)通过气体放电，使氩原子电离并激发，实现离子数反转而产生激光，由于氩激光器波长短，发散角小，所以可用于精密微细加工，如用于激光存贮光盘基板蚀刻制造等。 准分子激光的波长极