细微加工技术(精密加工)

2024/5/268.1微细加工技术的出现8.2微细加工的概念及其特点8.3微细加工机理8.4微细加工方法8.5集成电路与印制线路板制作技术

第8章微细加工技术2024/5/26一、制造技术自身加工的极限第1节微细加工技术的出现现代制造技术的两大发展趋势：1)自动化、柔性化、集成化、智能化等方向发展--制造系统自动化；2)极小尺度、极大尺度和极端功能。微细加工技术是指制造微小尺寸零件的加工技术。指1mm以下的微细尺寸零件，加工精度为0.01-0.001mm。微细加工属于精密加工范畴。超微细加工：1µm以下超微细尺寸零件，加工精度为0.1-0.01µm。2024/5/26二、微细加工出现的历史背景第1节微细加工技术的出现1.精密机械仪器仪表零件的微细加工2.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。3.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。微细加工技术的出现和发展与集成电路密切相关。2024/5/26一、微细加工的概念第2节微细加工的概念及其特点微细加工技术：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法；狭义上，半导体集成电路制造技术。整体微细加工技术：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，即微型机械和微型机电系统。2024/5/26一、微细加工的概念第2节微细加工的概念及其特点微小尺寸加工与一般尺寸加工的不同点：1.精度的表示方法；一般尺寸—加工误差与加工尺寸的比值(精度比率)表示；微细加工—尺寸的绝对值表示，即用加工单位尺寸(简称加工单位，去除的一块材料的大小)表示。如：微细加工0.01mm尺寸零件采用微米加工单位；加工微米零件尺寸采用亚微米加工单位；超微细加工采用纳米加工单位。

2.微观机理；一般尺寸—吃刀量较大，忽视晶粒大小作为连续体看；微细加工—吃刀量小于材料晶粒直径，晶粒看作不连续体。3.加工特征。一般尺寸—尺寸、形状、位置精度为加工特征；微细加工—分离或结合原子、分子为加工对象，以电子束、离子束、激光束三束加工为基础，采用沉积、刻蚀、溅射、蒸镀等手段进行。2024/5/26二、微细加工的特点第2节微细加工的概念及其特点1.微细加工和超微细加工是一个多学科的制造系统工程；2.微细加工和超微细加工是一门多学科的综合高新技术；加工方法包括分离、结合、变形三大类。采用传统和非传统加工工艺。3.平面工艺是微细加工的工艺基础；平面工艺是制作半导体基片、电子元件和电子线路及其连线、封装等一整套制造工艺技术，现在正在发展立体工艺技术，如光刻-电铸-模铸复合成型技术。4.微细加工和超微细加工与自动化技术联系紧密；通过采用自动化技术来保证质量和稳定性。5.微细加工技术和精密加工技术互补；6.微细加工检测一体化。在位、在线检测。2024/5/26一、切削厚度与材料剪切应力的关系第3节微细加工机理切削厚度小；在晶粒内进行切削；切削力要大于晶体内部的分子、原子结合力；单位面积的切削阻力非常大；切削刃上所承受的剪切应力也非常大。微细切削时用金刚石刀具进行切削2024/5/26二、材料缺陷分布对其破坏方式的影响第3节微细加工机理1.点缺陷点缺陷指在三维尺度上都很小的,不超过几个原子直径的缺陷。点缺陷造成局部晶格畸变,使金属的电阻率、屈服强度增加,密度发生变化。

2024/5/26二、材料缺陷分布对其破坏方式的影响第3节微细加工机理空位在晶体晶格中,若某结点上没有原子,则这结点称为空位。空位附近的原子会偏离正常结点位置,造成晶格畸变。空位的存在有利于金属内部原子的迁移(即扩散)。2024/5/26二、材料缺陷分布对其破坏方式的影响第3节微细加工机理间隙原子

位于晶格间隙之中的原子叫间隙原子。间隙原子会造成其附近晶格的很大畸变。2024/5/26二、材料缺陷分布对其破坏方式的影响第3节微细加工机理异类原子

任何纯金属中都或多或少会存在杂质,即其它元素,这些原子称异类原子(或杂质原子)。当异类原子与金属原子的半径接近时,则异类原子可能占据晶格的一些结点;当异类原子的半径比金属原子的半径小得多,则异类原子位于晶格的空隙中,它们都会导致附近晶格的畸变。2024/5/26二、材料缺陷分布对其破坏方式的影响第3节微细加工机理2.线缺陷线缺陷指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。这就是位错,由晶体中原子平面的错动引起。位错有两种。

2024/5/26二、材料缺陷分布对其破坏方式的影响第3节微细加工机理刃型位错

在金属晶体中，由于某种原因，晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面。这个多余的半原子面犹如切入晶体的刀片，刀片的刃口线即为位错线。这种线缺陷称刃型位错。半原子面在上面的称正刃型位错,半原子面在下面的称负刃型位错。位错线滑移方向2024/5/26二、材料缺陷分布对其破坏方式的影响第3节微细加工机理螺型位错

晶体右边的上部点相对于下部的距点向后错动一个原子间距，即右边上部相对于下部晶面发生错动。若将错动区的原子用线连接起来，则具有螺旋型特征。这种线缺陷称螺型位错。位错线滑移方向2024/5/26二、材料缺陷分布对其破坏方式的影响第3节微细加工机理3.面缺陷

面缺陷是指二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。金属晶体中的面缺陷主要有晶界和亚晶界两种。晶界和亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多,晶粒越细,金属的塑性变形能力越大,塑性越好。

2024/5/26晶界实际金属为多晶体,是由大量外形不规则的小晶体即晶粒组成的。每个晶粒基本上可视为单晶体.一般尺寸为10-5～10-4m,但也有大至几个或十几个毫米的。所有晶粒的结构完全相同,但彼此之间的位向不同,位向差为几十分、几度或几十度。晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界。晶界在空中呈网状；晶界上原子的排列规则性较差。

1Cr17不锈钢的多晶体

晶界原子排列的示意图

2024/5/26亚晶界

晶粒也不是完全理想的晶体，而是由许多位向相差很小的所谓亚晶粒组成的。晶粒内的亚晶粒又叫晶块(或嵌镶块)。亚晶粒之间的位向差只有几秒、几分，最多达1～2度。亚晶粒之间的边界叫亚晶界。亚晶界是位错规则排列的结构。例如，亚晶界可由位错垂直排列成位错墙而构成。亚晶界是晶粒内的一种面缺陷。

2024/5/26二、材料缺陷分布对其破坏方式的影响第3节微细加工机理晶格原子(-10-6mm)在晶格原子空间的破坏是把原子一个一个去除；空位和填隙原子(10-6-10-4mm)点缺陷空间的破坏是以点缺陷为起点来增加晶格缺陷的破坏;晶格位移和微裂纹(10-4-10-2mm)位错缺陷，通过位错线的滑移或微裂纹引起晶体内滑移变形晶界、空隙和裂纹(10-2-1mm)面缺陷，晶粒间破坏缺口(1mm以上)拉应力集中引起破坏破坏方式2024/5/26三、各种微细加工方法的加工机理第3节微细加工机理分类加工机理加工方法去除加工（又称为分离加工，是从工件上去除多余的材料）化学分解（气体、液体、固体）电解（液体）蒸发（真空、气体）扩散（固体）熔化（液体）溅射（真空）刻蚀（曝光），化学抛光，软质粒子机械化学抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工扩散去除加工熔化去除加工粒子束溅射去除加工，等离子体加工结合加工（又称为附着加工，利用理化方法将不同材料结合在一起）化学附着化学结合电化学附着电化学结合热附着扩散结合熔化结合物理附着注入化学镀，气相镀氧化，氮化电镀、电铸阳极氧化蒸镀（真空蒸镀），晶体生长，分子束外延烧结，掺杂，渗碳浸镀，熔化镀溅射沉淀，离子沉淀（离子镀）离子溅射注入加工变形加工（又称为流动加工，是利用力、热、分子运动等手段使工件产生变形，改变其尺寸、形状和性能

）热表面流动粘滞性流动摩擦流动热流动加工（高频电流、热射流、电子束、激光）液体、气体流动加工（压铸、挤压、喷射、浇铸）微粒子流动加工2024/5/26一、微细加工方法分类第4节微细加工方法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,一般按分离加工、结合加工、变形加工的加工机理分类.2024/5/26分类加工方法可加工材料应用切削加工（传统加工）等离子体切削微细切削微细钻削各种材料有色金属及其合金低碳钢、铜、铝熔断钼、钨等高熔点材料，硬质合金球，磁盘，反射镜，多面棱镜油泵油嘴，化学喷丝头，印刷电路板磨料加工（传统加工）微细磨削研磨抛光弹性发射加工喷射加工黑色金属、硬脆材料金属、半导体、玻璃金属、半导体、玻璃金属、非金属金属、玻璃、水晶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，硅片基片硅片基片刻槽，切断，图案成形，破碎特种加工（非传统加工）电火花成形加工电火花切割加工电解加工超声波加工微波加工电子束加工粒子束去除加工激光去除加工光刻加工导电金属，非金属导电金属金属，非金属硬脆金属，非金属绝缘金属，半导体各种材料各种材料各种材料金属，非金属，半导体孔，沟槽，狭缝，方孔，型腔切断，切槽模具型腔，大空，切槽，成形刻模，落料，切片，打孔，刻槽在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔打孔，切割，光刻成形表面，刃磨，割蚀打孔，切断，划线划线，图形成形复合加工电解磨削电解抛光化学抛光各种材料金属，半导体金属，半导体刃磨，成形，平面，内圆平面，外圆，型面，细金属丝，槽平面分离加工2024/5/26分类加工方法可加工材料应用附着加工蒸镀分子束镀膜分子束外延生长离子束镀膜电镀(电化学镀)电铸喷镀金属金属金属金属、非金属金属金属金属、非金属镀膜、半导体器件镀膜、半导体器件半导体器件干式镀膜、半导体器件、刀具、工具电铸型、图案成形、印制线路板喷丝板、栅网、网刃、钟表零件图案成形、表面改性注入加工离子束注入氧化、阳极氧化扩散激光表面处理金属、非金属金属金属、半导体金属半导体掺杂绝缘层掺杂、渗碳、表面改性表面改性、表面热处理结合加工电子束焊接超声波焊接激光焊接金属金属金属、非金属难熔金属、化学性能活泼金属集成电路引线钟表零件、电子零件结合加工2024/5/26加工方法可加工材料应用压力加工铸造(精铸、压铸)金属金属、非金属板、丝的压延、精冲、拉拔、挤压、波导管、衍射光栅集成电路封装、引线变形加工2024/5/261-发射阴极2-控制栅极3-加速阳极4-聚焦系统5-电子束斑点6-工件7-工作台二、微细加工的基础技术第4节微细加工方法1.电子束加工电子束加工（electronbeammachining，EBM）是在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后能量密度为106～109w/cm2的极细束流高速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，致使材料局部熔化或蒸发，来去除材料。电子半径2.8*10-12mm；质量9*10-29g；能量几百万电子伏；可聚焦到直径1-2µm；能量密度可达109W/cm2。2024/5/26电子束照射在工件表面上的功率密度q-功率密度(W/cm2);V-工作电压(V);I-电流(A);r-电子束斑半径。功率密度(1)电子束的热效应及其加工2024/5/26饱和温度：电子束连续照射无限长时，中心部分达到热平衡温度。θ0-饱和温度(°C);φ-电子束输入热流量(W);λ-材料导热率[W/(m·K)];r-电子束斑半径(m)。基准时间：使电子束照射区蒸发，其它地方保持较低温度。tc-电子束照射基准时间(s);ρ-材料密度(kg/m3);C-材料比热容[J/(kg·K)]2024/5/26利用电子束热效应加工低功率密度照射—提高表面硬度和强度，表面改性；中等功率密度照射—出现溶化、气化和蒸发，电子束焊接；高功率密度照射—钻孔、切槽等。2024/5/26电子束扫描曝光(2)电子束的化学效应及其加工利用图形发生器将聚焦在1µm以内的电子束在大约0.5-5mm范围自由扫描，在光致抗蚀剂上绘制图形。(光致抗蚀剂上照射处和未照射处的相对分子质量不同，在光致抗蚀剂上会产生潜像，用显影液会使潜像显示)主要用于掩膜或基片的图形制作。常用光致抗蚀剂有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA胶)。2024/5/26电子束投影曝光利用电子束作为光源，使它通过原版，再以1/5-1/10的比例缩小投影到光致抗蚀剂上进行图形曝光。又称“电子束复印”2024/5/26(3)电子束加工装置电子枪系统：发射高速电子；真空系统：抽真空；控制系统：由聚焦装置、偏转装置和工作台位移装置组成，控制电子束束径大小、方向和工件位移。电源系统：提供稳压电源、控制电压、加速电压。2024/5/26束径小、能量密度高；束径100-0.01µm，可加工深孔被加工对象范围广；金属、非金属、半导体等材料加工速度快，效率高；控制性能好，易于实现自动化。(3)电子束加工特点及其应用2024/5/26二、微细加工的基础技术第4节微细加工方法2.离子束加工离子束加工（ionbeammachining，IBM）是在真空条件下利用离子源（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件表面，使材料变形、破坏、分离以达到加工目的。因为离子带正电荷且质量是电子的千万倍，且加速到较高速度时，具有比电子束大得多的撞击动能，因此，离子束撞击工件将引起变形、分离、破坏等机械作用，而不像电子束是通过热效应进行加工。2024/5/26(1)离子束的力效应及其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，将产生弹性碰撞，将能量传递给工件材料的原子、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。直线弹性一次碰撞所传递动能E-传递给原(分)子能量；E0-入射离子能量；m0-入射离子质量；m-被撞击原(分)子能量。m=m0时，E=E0，溅射效果最好2024/5/26溅射率：被一个入射离子所去除的原子或分子数。相对溅射速度：相对于离子束的单位面积电流，在加工表面垂直方向上的加工速度。加工速度：用单位时间内的加工深度或体积来表示。a)10KevAr离子加工BK-7玻璃；(溅射率)b)5KevAr离子加工SiO2玻璃。(溅射率)c)10KevAr离子加工BK-7玻璃；(相对溅射速度)入射角60度时相对溅射速度最大2024/5/26(2)离子束加工方法1)离子束溅射去除2024/5/262024/5/26离子刻蚀当所带能量为0.1～5keV、直径为十分之几纳米的的氩离子轰击工件表面时，此高能离子所传递的能量超过工件表面原子（或分子）间键合力时，材料表面的原子（或分子）被逐个溅射出来，以达到加工目的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度图形。2024/5/26离子溅射沉积采用能量为0.1～5keV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并形成一层薄膜。实际上此法为一种镀膜工艺。2)离子束溅射镀膜加工2024/5/26离子镀膜离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉积，另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以增强镀层与基材之间的结合力（可达10～20MPa），此法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快，目前已获得广泛应用。2024/5/26用5～500keV能量的离子束，直接轰击工件表面，由于离子能量相当大，可使离子钻进被加工工件材料表面层，改变其表面层的化学成分，从而改变工件表面层的机械物理性能。此法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同需求注入不同离子（如磷、氮、碳等）。注入表面元素的均匀性好，纯度高，其注入的粒量及深度可控制，但设备费用大、成本高、生产率较低。3)离子束注入加工2024/5/26具有高灵敏度和分辨力。能对线宽小于0.1µm的精密精细图形曝光。4)离子束曝光2024/5/26(3)离子束加工装置常用的离子源主要有：双等离子体型、离子簇射(流)型和高频等离子体型。1)双等离子体离子源利用阴极和阳极间的直流电弧放电，使氩、氪、氙等惰性气体在阳极小孔以上的低真空中离子化。2024/5/262)离子簇射(流)型离子源（考夫曼型离子源）图8-17离子簇射(流)型离子源灯丝发射电子，阳极吸引，移动到阴极，电磁线圈磁场偏转作用作螺旋前进，惰性气体受高速电子撞击电离。离子通过阳极、阴极形成平行束流。提供大口径、大容量的离子源，离子源直径50-300mm，密度比离子束低，但均匀稳定。用于集成电路的刻蚀。2024/5/263)高频等离子体离子源高频等离子体离子源，简称高频离子源，利用高频振荡器在放电室中产生高频电磁场，以加速自由电子与惰性气体原子进行碰撞，使之电离而产生等离子体。特点：可以获得金属离子、化学性子活泼的气体离子，与其它离子源相比，其束流强度较低。2024/5/26(4)离子束加工的特点及其应用1)加工精度和表面质量高。不产生热量，无机械应力和损伤。离子束直径可在1µm内，加工精度可达nm级。2)加工材料广泛。各种材料3)加工方法丰富多样。4)控制性能好，易于实现自动化。5)应用范围广泛。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、能量强的离子束适于注入加工。2024/5/26二、微细加工的基础技术第4节微细加工方法3.激光束加工激光加工（laserbeammachining，LBM）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。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，其功率密度可达107～1011w/cm2，温度可达一万摄氏度，将材料在瞬间（10-3s）熔化和蒸发，工件表面不断吸收激光能量，凹坑处的金属蒸汽迅速膨胀，压力猛然增大，熔融物被产生的强烈冲击波喷溅出去。2024/5/26(1)激光的产生过程及其特性基态亚稳态红宝石(含0.05%Cr3+离子的Al2O3)红宝石受脉冲氙灯照射，处于基态E1的Cr离子大量被激到E3状态，E3状态寿命极短，很快跃迁到寿命较长的亚稳态E2，产生自辐射，实现了E2对E1能级的粒子数反转，此时若有能量为E2-E1大小的光子诱发，就会产生E2对基态E1的受激辐射跃迁而形成激光。原子从高能级到低能级的过程。原子被激发到高能级后，会很快跃迁回低能级，它停留在高能级的时间。在外来能量的激发下，使处于高能量级的原子数大于低能量级的原子数。2024/5/26激光特性：具有普通光的反射、折射、绕射和干涉等共性。1)强度高、亮度大；2)单色性好，波长谱线宽度狭窄；3)相干性好，相干长度长；4)方向性好，发散角可达0.1mrad，光束直径可聚到0.01mm。2024/5/26(2)激光加工机理—热效应焦点上的辐射度λ--波长；d—束径；P—输出面上功率；f—焦距。使辐照度第一次为零的分布直径d1=2r1发射角2024/5/26(3)激光加工方法1)激光打孔最小孔径几微米，深度可达直径的50倍。孔径和深度可采用经验公式估算。2024/5/26(3)激光加工方法2)激光切割常采用CO2气体激光器以连续或脉冲方式切割。3)激光微调用于调整电路中某些元件参数。(调电阻，无损伤照射，改变膜结构；高能量照射，使部分电阻膜气化去除)4)激光表面改性改变材料表面的物理结构、化学成分和金相组织。2024/5/26(3)激光加工方法5)激光存储①存储密度高；目前光盘的信息存储密度比磁盘和普通缩微品约高1-2个数量级。例如，通过采用短波长激光器和大数值孔径的物镜进一步减小记录信息点的直径、缩小预刻槽轨道的间距以及采用压缩技术等方法来加大光盘的存储密度。②与计算机联机能力强，易于实现随机检索和远距离传输；二进制数据光盘系统易于与计算机联机，易于实现磁带记录与光盘记录的信息转换。

③便于大量拷贝复制；在复制烧坑记录的光盘时，是以直接录制的光盘为母盘，利用压印的方法制出金属（镍）膜版，然后，再利用膜版压印出拷贝光盘。这样便可将母盘上的烧坑信息转录到拷贝光盘上，进行大量的拷贝复制。见图8-23。

④影像还原效果好；⑤适用范围广。2024/5/26图8-23激光光盘的制造工艺过程2024/5/26(4)激光加工设备图8-25YAG激光加工机的结构简图1-电源及控制部分2、5-氙灯3-反射镜4-YAG棒(掺钕钇铝石榴石，Nd3+)6-冷却水7-快门8-保护滤色镜9-十字线10-光源11-显微镜12-分光镜13-工作台14-工件15-聚光镜16-输出镜17-光阑激光加工设备主要由：激光器、电源、光学系统和机械系统组成。2024/5/261)激光器激光器作用：把电能转变为光能，产生所需要的激光束。固体激光器由工作物质、光泵、滤光管、滤光液、冷却水、聚光器和谐振腔等组成。工作物质：红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石(YAG)。光泵：使工作物质产生粒子数反转。用氙灯做光泵。聚光器：把氙灯发出的光能聚集在工作物质上。常用圆柱形。谐振腔：使受激辐射光在输出轴方向多次往复反射，互相激发，连锁反应，起放大和改善激光的作用。2024/5/261)激光器气体激光器工作物质有氦-氖、二氧化碳等。两端反射