先进制造技术第5章微细加工

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1、第5章微细加工微机械与微细加工概述硅微细加工技术光刻微细电火花加工微细切削加工技术薄膜气相沉积技术纳米加工技术5.1微机械与微细加工概述1.微机械（1）微机械的基本特征体积小、重量轻、结构坚固、精度高。能耗小、响应快、灵敏度高。性能稳定、可靠、一致性好。多功能化和智能化，既能感知环境又能控制环境适于大批量生产，制造成本低廉。（2）微机械的主要产品分类微构件（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、微型图像传感器、微陀螺仪）微执行器（微电机、微阀、微泵、微开关、微扬声器、

2、微谐振器）专用微机械器件及系统（人造器官、体内施药及取样微型泵、微型手术机器人）2.微细加工技术（1）微细加工技术构成由IC工艺技术发展起来的硅微细加工技术在特种加工和常规切削加工基础上发展形成的微细制造技术由上述两种技术集成的新方法，如LIGA、LIGA-LIKE等5.1微机械与微细加工概述（2）微细加工与常规尺寸加工的区别加工精度的表示方法不同，用绝对精度表示加工机理存在很大的差异，必须考虑晶粒在加工中的作用加工特征明显不同，以分离或结合原子、分子为特征当构件缩小到一定尺寸范围时将出现尺度效应5.2硅微细加工技术1.硅的体微加工硅的体微加工（bulkmicromachining）技术

3、是指利用刻蚀（Etching）等工艺对块状硅进行准三维结构的微加工，即去除部分基体或衬底材料，以形成所需要的硅微结构。主要包括刻蚀和停止刻蚀两项关键技术。刻蚀法分为湿法刻蚀和干法刻蚀两类。（1）湿法刻蚀湿法刻蚀是通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的化学反应将被刻蚀物质剥离下来的刻蚀方法。湿法刻蚀因基底材料不同可以分为各向同性刻蚀和各向异性刻蚀。①各向同性刻蚀（a）（b）图5-1各向同性刻蚀（a）各向同性刻蚀（搅拌）；（b）各向同性刻蚀（不搅拌）SiO2掩膜②各向异性刻蚀（c）（d）图5-2各向异性刻蚀（c）各向异性刻蚀（搅拌）；（d）各向异性刻蚀（不搅拌）（2）干法刻蚀①干法刻蚀种类等离子刻

4、蚀反应离子刻蚀离子束刻蚀与反应离子束刻蚀增强反应离子刻蚀②干法刻蚀工艺的理想特征离子平行入射，以产生各向异性。反应性的离子，以提高选择性。高密度的离子，以提高刻蚀速率。低的入射能量，以减轻硅片的损伤。（3）体微加工举例①凹槽加工图5-3（100）硅片各向异性腐蚀的凹槽顶视图俯视图腐蚀掩膜②悬臂梁加工图5-4腐蚀凸起的拐角产生悬臂梁③桥梁加工图5-5两端固定支撑梁的加工④复杂结构加工图5-6采用CMOS工艺制作的硅复杂微结构2.硅的面微加工硅的面微加工是通过薄膜沉积和蚀刻工艺，在晶片表面上形成较薄微结构的加工技术。表面微加工使用的薄膜沉积技术主要有物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CV

5、D）等方法。典型的表面微加工方法是牺牲层技术。5.2硅微细加工技术图5-7用牺牲层技术制作微结构的基本过程基础材料牺牲层牺牲层结构层微结构（1）表面微加工对所采用的材料的要求：结构层必须能够保证所要求的使用性能牺牲层必须具有足够的力学性能以保证在制作过程中不会引起分层或裂纹等结构破坏沉积工艺需要有很好的保形覆盖性质，腐蚀所选的化学试剂，应能优先腐蚀牺牲层材料表面加工工艺还应注意与集成电路工艺的兼容性5.3光刻光刻（photolithography）也称照相平版印刷，是加工制作半导体结构或器件和集成电路微图形结构的关键工艺技术。具体的过程包括掩膜制作和光刻过程两个部分。1.掩膜制作图5-8

6、掩膜制作过程5.3光刻5.3光刻2.光刻过程预处理脱脂、抛光、酸洗、水洗涂胶甩涂、浸渍、喷涂、印刷曝光电子束、X射线、远紫外线、离子束氧化膜基片光致抗蚀剂电子束掩膜图5-9光刻加工过程显影烘片刻蚀干式、湿式剥膜、检查窗口离子束5.4微细电火花加工1.微细电火花加工的特点放电面积很小单个脉冲放电能量很小放电间隙很小工具电极制备困难排屑困难,不易获得稳定火花放电状态5.4微细电火花加工2.微细电火花加工关键技术实现微细电火花加工的关键技术有加工工艺和设备两个方面，包括：微细电极的制作高精度微进给驱动装置微小能量脉冲电源技术加工状态检测与控制系统。（1）微细电极的在线制作与检测①微细电极的在线

7、制作在线制作方法主要有反拷块加工和线电极电火花磨削（WEDG）两种方式（a）（b）图5-10微细电极的在线制作（a）反拷块方式；（b）WEDG方式。②微细电极的在线检测目前对微细电极的检测一般采用试切方式进行，即通过电极所加工孔的尺寸来间接推算微细电极的直径。（2）脉冲电源脉冲电源的作用是提供击穿间隙中加工介质所需的电压，并在击穿后提供能量以蚀除工件材料。脉冲电源对电火花加工的生产率、表面质量、加工精度、加工过程的稳定性和工具电极损