表面微细加工技术
微细电火花加工技术
微细电火花加工技术微细电火花加工技术是一种高精度加工方法，它通过利用电火花放电的瞬间高温和高压能量，将工件表面的金属材料溶解、熔化、蒸发和喷射等效应，实现对工件进行微细加工的一种技术。
微细电火花加工技术具有加工精度高、表面质量好、加工效率高等优点，在模具制造、航空航天、医疗器械等领域有着广泛的应用。
微细电火花加工技术的原理是利用电火花放电过程中产生的高温等效应来加工工件。
在微细电火花加工过程中，工件和电极通过一个电解液隔开，当施加足够的电压时，电极上会产生高频率的电火花放电。
电火花放电瞬间产生的高温和高压能量会使电解液中的金属离子快速聚集在工件表面，形成微小的气泡，同时气泡瞬间爆破产生的压力将工件表面的金属材料冲击下来。
通过不断重复这个过程，就可以实现对工件表面的微细加工。
微细电火花加工技术的加工精度非常高，可以达到亚微米级别。
这是因为在电火花放电过程中，由于高温和高压能量的局部聚集作用，使得工件表面的金属材料局部熔化和蒸发，从而实现微细加工。
此外，微细电火花加工技术还可以实现对工件表面的复杂形状、小孔和细槽等微细结构的加工，具有很高的灵活性。
微细电火花加工技术的应用非常广泛。
在模具制造领域，微细电火花加工技术可以用于制造高精度的模具零件，如模具芯、模具腔等。
在航空航天领域，微细电火花加工技术可以用于制造航空发动机的涡轮叶片、航天器的结构零件等。
在医疗器械领域，微细电火花加工技术可以用于制造高精度的医疗器械零件，如人工关节、牙科种植体等。
微细电火花加工技术虽然有很多优点，但也存在一些限制。
首先，由于加工过程中电火花放电会产生高温，工件表面容易产生热应力，从而导致表面质量下降。
其次，微细电火花加工技术只适用于导电材料的加工，对于非导电材料的加工效果不佳。
此外，微细电火花加工技术的加工效率相对较低，加工速度较慢。
微细电火花加工技术是一种高精度加工方法，具有广泛的应用前景。
随着科技的不断进步和发展，微细电火花加工技术将会进一步提高加工精度和效率，为各个领域的微细加工需求提供更好的解决方案。
东南大学--材料学院--表面微细加工技术简介
表面微细加工技术简介一、表面微细加工技术●表面技术的一个重要组成部分●微电子工业重要的工艺技术基础●工艺精度决定了集成电路的特征尺寸●微米量级、亚微米量级、纳米量级●微型传感器、微执行器（微马达、微开关、微泵等）、微型机器人、微型飞机、微生物化学芯片等表面微细加工技术：●光刻加工电子束加工离子束加工激光束微细加工●超声波加工微细电火花加工电解加工电铸加工1.1 光刻加工●光刻加工●复印图像+化学腐蚀●广泛应用平面器件和集成电路●光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机●光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体●光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变光刻加工步骤: 1、涂胶、前烘2、曝光3、显影、坚膜（形成窗口）4、腐蚀或刻蚀5、沉积（形成电路）6、去胶曝光：对光刻胶膜进行选择性光化学反应，曝光部分改变在显影液的溶解性光刻胶的种类:●正胶：辐照后溶解性增加分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般采用正胶●负胶：辐照后溶解性降低分辨率差，适于加工线宽≥3 m的线条曝光时影响分辨率的主要因素：1、掩膜版和光刻胶膜的接触情况2、曝光线平行度3、光的衍射、反射和散射4、光刻胶膜的质量和厚度5、曝光时间6、掩膜版的分辨率和质量曝光方式：●接触式：掩膜与胶膜贴紧曝光●分辨率高，胶膜和掩膜易磨损●低分辨率器件生产>5 μm●接近式：掩膜与胶膜有40μm间隙●避免污损，衍射造成分辨率差●投影式复印法：通过透镜系统使掩膜版图形缩小●精度依赖于光学系统，近紫外光波长（0.35-0.4 μm ）●加工极限0.4μm突破光刻极限: 采用短波长光源曝光●深紫外曝光技术（0.2~0.35μm ）●合理选择激光的激发物，KrF(248nm), ArF(193nm)●X射线曝光技术（零点几纳米）●线宽0.1 μm●位置对准困难，需防护严格●准分子激光光刻技术●线宽0.2 μm●精确控制剂量方面有待进一步提高腐蚀/刻蚀：●湿法刻蚀：利用酸碱溶液作为腐蚀剂化学反应●优点：选择性好、重复性好、设备简单、成本低●缺点：钻蚀严重、对图形的控制性较差●干法刻蚀：●等离子体腐蚀：利用强电场下气体辉光放电产生的活性基与被腐蚀胶膜发生化学反应，产生挥发性气体而去除选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差●离子腐蚀：利用具有一定动能的惰性气体的离子轰击集体表面，离子束腐蚀和溅射腐蚀（物理过程）●反应离子刻蚀(RIE：Reactive Ion Etching)：离子轰击的物理效应和活性离子的化学效应结合具有前两者优点，同时各向异性和选择性应用最广泛的主流刻蚀技术新一代光刻技术：●接触-接近式→反射投影式→步进投影式→步进扫描式●436nm ～365nm（汞弧灯）→248nm (KrF准分子激光源)●利用光刻印刷细微图形已接近极限，50nm及以下，光学光刻将被其它新技术取代：●X射线光刻技术(XRL)●极紫外光刻技术(EUVL)●电子束投影光刻技术●离子束投影光刻技术●激光辅助直接刻印法（LADI）X射线光刻技术（XRL）●解决100nm以下光刻节点最现实的技术●光源波长0.7-1.3nm●缺点：掩膜衬底的机械性能（已获得较大突破）极紫外光刻技术（EUVL）——软X射线光刻●极紫外光源波长：10-14nm●物质吸收严重，反射光学系统●Mo、Si组成多层膜对13nm有较高的反射系数●若能得到应用，有可能解决≤50nm的光刻技术激光辅助直接刻印法（LADI）●2002年6月,美国普林斯顿大学研制的一种在硅片上制造出更精细结构的新技术●带有待压印线路图的石英压印模●将模子直接压印在硅片上，施加五千万分之一秒的大功率激光脉冲，使硅熔化后，按照模子的图案凝固，●可印出10nm的线路图，四百万分之一秒●《Science》杂志评论：该工艺可维持芯片小型化进程，摩尔定律在接下来的20年里可能仍然有效1.2 电子束加工工作原理：真空条件下，利用电流加热阴极发射电子束，经控制栅极初步聚焦后，由加速阳极加速，通过透镜聚焦系统进一步聚焦，使能量密度集中在直径1～10μm斑点内。
微细加工工艺技术
微细加工工艺技术微细加工工艺技术是一种应用于微电子、光学、纳米学等领域的高精度加工技术，该技术能够实现对微细结构的精密加工。
在微细加工工艺技术中，常常采用的加工方法有激光刻蚀、化学蚀刻、光刻以及微电子束等。
激光刻蚀是一种应用激光照射，通过激光束的高能量将材料表面局部蚀刻的加工方法。
与传统的机械刻蚀相比，激光刻蚀具有高精度、高效率的优点。
在激光刻蚀中，光束的聚焦度和光斑直径是影响加工精度的重要参数。
化学蚀刻是一种利用特定的化学反应，在材料表面选择性地产生化学蚀刻产物，并将其去除的加工方法。
化学蚀刻通常需要制备特定的蚀刻溶液，通过控制溶液的浓度和温度，来影响化学反应的速率和选择性。
化学蚀刻可以实现微细结构的高精度加工，并被广泛应用于光学元件和微流控芯片等领域。
光刻是一种基于光化学反应的加工方法，通过光阻的选择性暴露和去除，来形成所需的图案结构。
在光刻过程中，首先在材料表面涂敷一层光刻胶，然后利用光刻机的紫外光照射和显影等步骤，实现图案的转移。
光刻具有高精度、高分辨率和高重复性的优点，是微细加工中不可或缺的工艺之一。
微电子束也是一种实现微细结构加工的重要方法。
微电子束利用高能电子束在材料表面定向照射，经过准直、聚焦和偏转等步骤，将电子束的能量转化为对材料的加工作用。
通过控制电子束的参数，如能量、聚焦度和扫描速度等，可以实现对微细结构的精密加工。
微电子束在高精度加工领域具有很大的应用潜力，尤其在微电子器件、光电器件以及半导体器件等方面，具有广阔的发展前景。
总的来说，微细加工工艺技术是一种实现高精度加工的重要方法，包括激光刻蚀、化学蚀刻、光刻和微电子束等。
这些加工方法在微电子、光学、纳米学等领域发挥着重要作用，推动了相关技术的进步和应用的发展。
未来随着科学技术的不断进步，微细加工工艺技术将继续发展壮大，为人类社会带来更多的科技成果和应用产品。
MEMS加工工艺及表面加工
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硅各向异性湿法腐蚀的缺点 • 图形受晶向限制 • 深宽比较差, 结构不能太小 • 倾斜侧壁 • 难以获得高精度的细线条。
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干腐蚀
气体中利用反应性气体或离子流进行的腐蚀称 为干腐蚀。干腐蚀刻蚀既可以刻蚀多种金属， 也可以刻蚀许多非金属材料；既可以各向同性 腐蚀，也可以各向异性刻蚀，是集成电路工艺 或MEMS常用工艺。
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MEMS加工工艺
MEMS加工工艺分类
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部件及子系统制造工艺
半导体工艺、集成光学工艺、厚薄膜工艺、微机械加 工工艺等
封装工艺
硅加工技术、激光加工技术、粘接、共熔接合、玻璃 封装、静电键合、压焊、倒装焊、带式自动焊、多芯 片组件工艺
3
MEMS加工技术的种类
大机械制造小机械，小机械制造微机械
日本为代表，与集成电路技术几乎无法兼容
LIGA工艺
Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸) Abformung(塑铸) 德国为代表，利用同步辐射X射线光刻技术，通过电铸成型和塑
铸形成高深宽比微结构的方法。设备昂贵，需特制的X射线掩模 版，加工周期长，与集成电路兼容性差
• 优点：与常规IC工艺兼容性好; 器件可做得很小
• 缺点：这种技术本身属于二维平面工艺，它限 制了设计的灵活性。
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关键技术
牺牲层技术 薄膜应力控制技术 防粘连技术
硅腐蚀速率与晶体取向的关系
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与{100}、{110}相比，{111}面有慢的腐 蚀速率，所以经过一段时间腐蚀后，所 腐蚀的孔腔边界就是{111}面
各向异性腐蚀剂腐蚀出微结构的特点 29
微细加工技术概述
微小机械学发展
• 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。 • 微机来自的制造和生产离不开微细加工技 术。
机械的微型化及相关的制造技术
传统机械
微小型机械 微细制造技术 MEMS技术 纳米机械 纳米制造技术
传统制造技术
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。
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
微细加工的概念
目前微细加工领域的几大流派： •以美国为代表的硅基MEMS技术 以美国为代表的硅基MEMS技术 以美国为代表的硅基MEMS •以德国为代表的LIGA技术 以德国为代表的LIGA 以德国为代表的LIGA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。
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。
微细加工技术 ppt课件
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结合加工
分类
附着加工
注入加工 结合加工
加工方法
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
离子束注入 氧化、阳极氧化 扩散 激光表面处理
电子束焊接 超声波焊接 激光焊接
可加工材料
金属 金属 金属 金属、非金属 金属 金属 金属、非金属
金属、非金属 金属 金属、半导体 金属
特种加工 （非传统加工）
复合加工
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
电解磨削 电解抛光 化学抛光
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
(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 4E0m0m /(m0 m)2
ppt课件
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(2)离子束加工方法 1)离子束溅射去除
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
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
pp平t课件面
ppt力加工
可加工材料
金属
应
用
板、丝的压延、精冲、拉拔、挤压、波导管、衍射光栅
微细加工技术
微细加工概念 微细加工机理 微细加工方法 LIGA技术及准LIGA技术
微细加工技术应用 生物加工技术
6.1 微细加工技术概述
6.1.1 微细加工的概念
微细加工技术是指加工微小尺寸零件的生产加工技术。 从广义的角度来讲，微细加工包括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方法，如切削加工，磨料加 工，电火花加工等。从狭义的角度来讲，微细加工主要是指 半导体集成电路制造技术。
6.2 微细加工机理
（4）晶界、空隙、裂纹（102 ～1）mm 它们的破坏是以缺陷 面为基础的晶粒破坏。 （5）缺口（1 mm 以上） 缺口空间的破坏是由于应力集中而 引起的破坏。
在微细切削去除 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。图 6-1 为材料 微观缺陷分布情况。
较大，允许的切削深度 ap 较大。微细加工时，从强度和刚 度都不允许大的切削深度 ap，因此切屑很小。
6.1 微细加工技术概述
3. 加工特征 一般加工时，多以尺寸、形状、位置精度为加工特征。
精密和超精密加工也是如此，所用加工方法偏重于能够形成 工件的一定形状和尺寸。微细加工和超微细加工却以分离或 结合原子、分子为加工对象，以电子束、激光束、离子束为 加工基础，采用沉积、刻蚀、溅射、蒸镀等手段进行各种处 理。这是因为它们各自所加工的对象不同而造成的。
2021/8/21
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6.1 微细加工技术概述
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
在微小尺寸加工时，由于加工尺寸很小，精度就必须用 尺寸的绝对值来表示，即用去除的一块材料的大小表示，从 而引入加工单位尺寸的概念。加工单位就是去除的一块材料 的尺寸。 2. 微观机理
微细加工技术
MEMS是Micro Electro Mechanical Systems的缩写。即 微机电系统，它是在微电子技术的基础上发展起来的，融合 了硅微加工、LIGA技术和精密机械加工等多种微加工技术， 并应用现代信息技术构成的微型系统。它包括感知和控制外 界信息(力、热、光、生、磁、化等)的传感器和执行器，以 及进行信号处理和控制的电路。 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1nm～ 10mm 美国：MEMS—Micro Electro-Mehanical System 欧洲：Micro System 日本：Micro Machine 其它：Micro & Ｎano 技术
SLA（立体光刻）工艺
液槽中盛满液态光固化树脂， 激光束在偏转镜作用下，能在液态 表面上扫描，扫描的轨迹及光线的 有无均由计算机控制，光点打到的 地方，液体就固化。当一层扫描完 成后，未被照射的地方仍是液态树 脂。然后升降台带动平台下降一层 高度，已成型的层面上又布满一层 树脂，刮平器将粘度较大的树脂液 面刮平，然后再进行下二层的扫描， 新固化的一层牢固地粘在前一层上， 如此重复直到整个零件制造完毕, 得 到 一 个 三 维 实 体 模 型 。
1.4 微制造中的材料去除技术
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（图1-4）： 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； 2）用曝光蚀刻图形实体作 电铸模具，生成铸型； 3）以生成的铸型作为模具， 加工出所需微型零件。
1.2 微细加工的发展历程
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硅基底的氧化
半导体的制作过程
半导体芯片中的双层金属布线连接
半导体芯片中的金属布线连接
半导体芯片中的金属布线连接
半导体芯片中的NPN结双极晶体管
表面超微图形加工技术
光刻 技术
光致抗蚀剂 光刻SiO2膜
衬底硅
涂光致抗蚀剂
紫外光(193nm) 掩模版
衬底硅
曝光
衬底硅
显影
SiO2 衬底硅
去胶
衬底硅
②生长型加工方法，即以一种材料作为基材，在 其上添加另一种材料，形成所需的形状或者图形 的加工方法。按此定义，在前面章节所介绍的物 理气相沉积、化学气相沉积、离子注入、电镀、 化学镀都属于微细加工技术；
③变形加工，指材料形状发生变化的加工，如塑 性变形、流体变形等。
集成电路的制作步骤
MOS晶体管的制作步骤
常用微细加工技术
1.光刻工艺 2.掩模板制作工艺 3.电子束与离子束微细加工 4.激光微细加工
光刻的基本原理： 利用光致抗蚀剂(或称光刻胶)感光后因光化学反 应而形成耐蚀性的特点，将掩模版上的图形刻制 到被加工表面上。
掩膜(mask)的概念: 它是一块印有所需要加工图形的透光玻璃片。当 光线照在掩模版上时，图形区与非图形区对光线 的吸收与透过能力不同。
表面微细加工技术指那些能够制造微小尺寸元器 件或薄膜图形的方法。
微细加工的
加工尺寸一般在亚毫米(常指低于100μm)至纳 米级范围内，
加工的单元则从微米级、纳米级到原子级(Å 级)。
纳米量级结构的制作是纳 米技术的关键技术之一。 我国SPM系统在Au-Pd合金膜 表面上机械刻画出的最小线宽 为25nm。
用AFM机械刻蚀原理刻 写的亚微米尺寸的唐诗
综述微细加工的主要技术和特点
综述微细加工的主要技术和特点一、微细加工近几年展望21世纪，人类进入微观世界。
在原子分子尺度上，对物质进行操作和加工，无疑会展现出一种相当美好的前景，并引起各方面的广泛重视。
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。
在超精密加工技术领域起步最早和技术领先的国家是美国，其次是日本和欧洲的一些国家。
美国超精密加工技术的发展得到了政府和军方的财政支持，近年，美国执行了"微米和纳米级技术"国家关键技术计划，国防部陆、海、空三军组成了特别委员会，统一协调研究工作。
美国至少有30多个厂家和研究单位研制和生产各种超精密加工机床，国家劳伦斯.利佛摩尔实验室、联合碳化物公司、摩尔公司、杜邦公司等在国际上均久负盛名。
美国最早研制了能加工硬脆材料的6轴数控超精密研磨抛光机；联合碳化物公司开发了直径为800mm的非球面光学零件的超精密加工机床；劳伦斯.利佛摩尔实验室还开发了能加工陶瓷、硬质合金、玻璃和塑料等难加工材料的超精密切削机床，在半导体工业、航空工业和医疗器械工业中投入使用；珀金-埃尔默等公司用超精密加工技术加工各种军用红外零部件。
日本对超精密技术的发展也十分重视，70年代初，日本成立了超精密加工技术委员会，制定了技术发展规划，成为此项技术发展速度最快的国家。
日本现有20多家超精密加工机床研制公司，重点开发民用产品所需的加工设备并力图使设备系列化，成批生产了多品种商品化的超精密加工机床。
在超精密切削技术发展比较成熟后，日本已将黑色金属、陶瓷和半导体功能材料的超精密加工技术作为重要的研究开发项目。
日本的研究创新意识强，不是单纯地模仿国外的做法，而是积极地利用外国技术并结合本国特点和生存环境，走出了一条自己的发展道路。
《材料表面处理技术与工程实训》习题解答
《材料表面处理与工程实训》习题解答第1章材料表面处理的分类思考题1. 材料表面处理全面而确切的含意是什么？表面处理应该是指为满足特定的工程需求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能（或功能）的化学、物理方法与工艺，它以表面科学为理论基础，利用各种物理的、化学的、物理化学的、电化学的、冶金的以及机械的方法和技术，使材料表面得到我们所期望的成分、组织、性能或绚丽多彩的外观。
2. 举出您比较熟悉的一个产品对材料表面处理技术的需求。
提示：随着材料表面处理技术的发展，基材不再局限于金属材料而是包揽金属、有机、无机、复合等材料领域。
对材料表面性能的要求也从一般的装饰防护拓展到机、电、光、声、热、磁等多种特种功能和综合功能领域。
举出一例。
3. 在您所接触的日常生活用品中，哪一件制品的表面处理您最喜欢，为什么？您能说出它的表面是怎样处理的吗？提示：学习用品、通讯工具、交通工具等。
4. 在您所接触的日常生活用品中，有哪一件您认为如果能在表面处理上作一些改进，大家就会更喜欢它？您对它的改进有具体设想吗？提示：学习用品、通讯工具、交通工具等。
5. 什么是表面改性？什么是表面加工？二者有什么区别？表面改性——用机械、物理和化学的方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。
表面加工——通过物理化学方法使金属表面的形貌发生改变，但不改变金属表面的金相组织和化学成分，如：表面微细加工、抛光、蚀刻、整体包覆。
区别：表面加工不改变金属表面的金相组织和化学成分；表面改性改变金属表面的金相组织和化学成分。
第2章材料表面处理的理论基础思考题1.什么是清洁表面，什么是实际表面，二者具有怎样的研究意义？清洁表面是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面。
这种清洁表面的化学组成与体内相同，但周期结构可以不同于体内。
在材料实际应用过程中，材料表面是要经过一定加工处理(切割、研磨、抛光等)，材料又在大气环境(也可能在低真空或高温)下使用。
光刻
光刻光刻基本知识光刻工艺的定义判断题1.光刻工艺是一种光复制图像和材料刻蚀相结合的微电子基片表面微细加工技术。
（）2.光刻工艺仅仅是一种材料刻蚀的微电子基片表面微细加工技术。
（）3.超大规模集成电路需要光刻工艺具备高分辨率、高灵敏度、精密的套刻对准、大尺寸、低缺陷这几方面的要求。
（）单选题在集成电路工艺中，光复制图形和材料刻蚀相结合的工艺技术是（）。
（A）刻蚀（B）氧化（C）淀积（D）光刻多选题超大规模集成电路需要光刻工艺具备的要求有（）。
（A）高分辨率（B）高灵敏度（C）精密的套刻对准（D）大尺寸（E）低缺陷光刻工艺流程判断题光刻的主要工艺流程的操作顺序是涂胶、前烘、曝光、坚膜、显影、去胶。
（）光刻工艺流程的操作顺序是涂胶、前烘、曝光、显影、烘烤、坚膜、刻蚀、去胶。
（）单选题光刻的主要工艺流程按照操作顺序是（）。
（A）涂胶、前烘、曝光、坚膜、显影、去胶（B）涂胶、前烘、坚膜、曝光、显影、去胶（C）涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、去胶（D）前烘、涂胶、曝光、坚膜、显影、去胶常用光刻技术判断题光刻工艺所需要的三要素为：光刻胶、掩模版和光刻机。
（）光刻工艺所需要的三要素为：光刻胶、掩模版和光刻机；随着曝光技术的进步，可以不用掩模在晶片上就能够生成特征尺寸在亚微米范围内的图案。
（）光刻胶的种类判断题光刻胶通常可分为正胶和负胶两类。
（）光刻胶通常可分为正胶和负胶两类,不论正胶还是负胶，它们所形成的图形结构是相同的。
（）光刻胶通常可分为正胶和负胶两类,它们所形成的图形结构是互补的。
（）通常，光刻胶对湿法刻蚀有比较好的抗刻蚀能力。
（）单选题用g线和i线进行曝光时通常使用哪种光刻胶（）。
（A）ARC （B）HMDS （C）正胶（D）负胶光刻胶的成分判断题光刻胶主要由树脂、感光剂、溶剂等不同材料混合而成的。
（）光刻胶主要由树脂、感光剂、溶剂等不同材料混合而成的；其中树脂是粘合剂，感光剂是一种光活性极强的化合物，两者同时溶解在溶剂中，以液态的形式保存以便于使用。
精密加工超精密加工和细微加工
超净：在未经净化的一般环境下，尘 埃数量极大，绝大部分尘埃的直径小 于1µm，也有不少直径在1µm以上甚 至超过10µm的尘埃。这些尘埃如果落 在加工表面上，可能将表面拉伤；如 果落在量具测量表面上，就会造成操 作者或质检员的错误判断。因此，精 密加工和超精密加工必须有与加工相 对应的超净工作环境
则可达0.02µm 金刚石精密切削铜和铝时
v＝200~500m/min αp＝0.002~0.003mm f＝0.01~0.04mm/r。
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2．精密磨削及金刚石超精密磨削 精密磨削是指加工精度为1~0.1m，
Ra为0.16~0.006m的磨削方法；而 超精密磨削则是指加工精度高于 0.1m，Ra<0.04 ~0.02m的磨削方 法
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细微加工技术是指制造微小尺寸零 件、部件和装置的加工和装配技术， 属精密、超精密加工的范畴。其工 艺技术包括：精密和超精密的切削 与磨削方法；绝大多数的特种加工 方法；与特种加工有机结合的复合 加工方法等三类
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常用的细微加工方法及其应用参见 表5-15
电子束曝光光刻加工过程
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制和工艺过程优化等生产自动化技术
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四、常用的精密加工和超精密加工和细 微加工方法
采用金刚石刀具对工件进行超精密的微 细切削和应用磨料磨具对工件进行珩磨、 研磨、抛光、精密和超精密磨削等
采用电化学加工、三束加工、超声波加 工等特种加工方法及复合加工
微细加工是指制造微小尺寸零件的生产 加工技术
IT5以上）、Ra<0.1µm的加工方法， 如金刚石车削、高精密磨削、研磨、 珩磨、冷压加工等
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3．超精密加工 指加工精度在0.1µm ~0.01µm、Ra
微细加工
一、微细加工定义
从广义的角度来讲，微细加工是指所有制造
微小尺寸零件的加工技术。从狭义的角度来 讲，微细加工主要是指半导体集成电路制造 技术。
二、加工成形原理
去除加工：车削、铣削、磨削、电火花加工
结合加工：
附着：电镀、气相沉积
注入：氧化、渗碳、离子注入 连接：焊接、粘接
变形加工：锻造、铸造、液晶定向
3.5.1.2
特点
具有极高的复制精度和重复精度。 适用范围广。尺寸可在很大范围内变化；可以使难 以加工的精密内型面变为易加工的外型面，因此可 广泛用于具有精密、复杂内型面零件的制造。 电铸制品性能的可控性强。通过改变金属种类、电 铸液配方和工艺参数，或采取使用添加剂等措施， 电铸制品的力学性能和物理性能可在很大范围内变 化。 成本低。设备投资较少，加工余量较小，废品可作 为阳极材料重新使用，铸模和电铸液也可重复使用。
铸层质量不稳定。易出现麻点、针孔、晶粒粗大、应力过 大等缺陷，致使铸层的物理特性和力学性能下降，严重时 可造成零件报废。过大的内应力也会使铸层变形、开裂。 铸层均匀性差。金属沉积速度一般正比于阴极表面的电流 密度，对于复杂型面的铸模，由于电场分布极不均匀，因 此电流密度在铸模表面各处不一致，造成不同位臵的沉积 厚度相差悬殊，从而影响零件性能，而且这种不均匀会随 沉积时间的延长而加剧，产生恶性循环，严重降低平均沉 积电流密度和沉积速度。 加工时间长。如欲获得1mm厚铸层，简单形状的工件需要 数小时，复杂工件可能要数十小时。 有限的铸种材料性能不能满足所有实际需要。
3.5.1
微细电铸
3.5.1.1 工艺 设计制造铸模：根据设计图样或采用实物复制的方法制造铸 模，常用的铸模材料有不锈钢、铝、钛、环氧树脂、有机玻 璃等。 导电层、分离层处理：对非金属铸模进行导电化处理，对金 属铸模表面进行分离层处理。 电沉积金属：将铸模放入电解槽，利用电化学沉积原理在铸 模上沉积金属。常见的电铸金属种类有镍、铜、铁等单金属 或镍钴、镍锰等合金。 脱模和背衬处理：在电铸层达到需要的厚度后，采用机械或 化学方法把沉积金属与铸模分离，并根据需求在非加工表面 加固背衬。
微细加工技术资料
1超微机械加工 2光刻加工 3LIGA技术与准LIGA技术 4封接技术 5分子装配技术
2.3.2微细加工工艺方法 1超微机械加工
• 超微机械加工是指用精密金属切割、线切 割等方法制造毫米级尺寸以下的微机械微 零件，是一种三维实体加工技术，多是单 件加工，单件装配，费用价高。
微型弹簧
2.3.2微细加工工艺方法 2光刻加工
2.3.1微机械及其特征
1、微机械概念及应用
微机械技术涉及电子、电气、机械、材料、制造、信息与自动控制，以 及物理、化学、光学、医学、生物技术等多种工程技术和科学，并集约 了当今科学技术的许多尖端成果。
放在手提箱 里的机械厂
2.3.1微机械及其特征
1、微机械的基本特征
• • • • •
微机械按其尺寸特征可以分为： 1~10mm的微小机械； 1um~1mm的微机械； 1nm~1um的纳米机械。 而制造微机械采用的微细加工，又可以进一 步分为微米级微细加工、亚微米级微细加工 和纳米级微细加工等。
2.3.2微细加工工艺方法 2光刻加工
2.3.2微细加工工艺方法 2光刻加工
2.3.2微细加工工艺方法 3LIGA技术与准LIGA技术
• LIGA是德文Lithographie，Galanoformung和Abformung三个词， 即光刻、电铸和注塑的缩写。 • LIGA工艺是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术，主要包括X 光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤。由于X射 线有非常高的平行度、极强的辐射强度、连续的光谱，使LIGA技术能 够制造出高宽比达到500、厚度大于1500 μ m、结构侧壁光滑且平行 度偏差在亚微米范围内的三维立体结构。这是其它微制造技术所无法 实现的。LIGA技术被视为微纳米制造技术中最有生命力、最有前途的 加工技术。利用LIGA技术，不仅可制造微纳尺度结构，而且还能加工 尺度为毫米级的MEMS结构。 • 由于LIGA技术需要极其昂贵的X射线光源和制作复杂的掩模板，使其 工艺成本非常高，限制该技术在工业上推广应用。于是出现了一类应 用低成本光刻光源和(或)掩模制造工艺而制造性能与LIGA技术相当的 新的加工技术，通称为准LIGA技术或LIGA-like技术。
微细加工技术
微型机床
放在手提箱 里的机械厂
二、微细加工的特点
微细加工技术是指加工微小尺寸零件的生产加工技 术。从广义的角度来讲，微细加工包括各种传统精 从广义的角度来讲， 密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的方法， 密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的方法， 切削技术 磨料加工技术，电火花加工， 技术， 如切削技术，磨料加工技术，电火花加工，电解加 化学加工，超声波加工，微波加工，等离子体 工，化学加工，超声波加工，微波加工，等离子体 加工，外延生产，激光加工，电子束加工， 加工，外延生产，激光加工，电子束加工，粒子束 加工，光刻加工，电铸加工等。从狭义的角度来讲， 加工，光刻加工，电铸加工等。从狭义的角度来讲， 微细加工主要是指半导体集成电路制造技术， 微细加工主要是指半导体集成电路制造技术，因为 微细加工和超微细加工是在半导体集成电路制造技 术的基础上发展的， 术的基础上发展的，特别是大规模集成电路和计算 机技术的技术基础，是信息时代微电子时代， 机技术的技术基础，是信息时代微电子时代，光电 子时代的关键技术之一适当的溶剂里，将应去
除的光刻胶膜溶除干净，以获得刻蚀时所需要的光 刻胶膜的保护图形。显影液的选择原则是： 对需要去除的那部分胶膜溶解得快，溶解度大 对需要保留的那部分胶膜溶解度极小 同时，要求显影液内所含有害的杂质少，毒性小。 显影时间随胶膜的种类、膜厚、显影液种类、显影 温度和操作方法不同而异，一般由实验确定。
7、去胶
去胶就是在SiO2或其他薄膜上的图形刻蚀出 来后，把覆盖在基片上的胶膜去除干净。
四、微细加工技术的发展与趋势
加工方法的多样化 加工材料单纯的硅向各种类型的材料发展 提高微细加工的经济性 加快微细加工的机理研究
微型弹簧
扑翼式微飞行器
微细加工技术
LIGA 技术首先由德国卡尔斯鲁厄核物理研究所提出来,LIGA 是lithographie(制版术)、 galvanoformung(电铸成形)、abformung(微注塑)这3个德文单词的缩写,被公认为是一种全新 的三维立体微细加工技术。
1. 技术原理与工艺过程 图所示为典型的LIGA 工艺过程,主要包括以下内容。 (1)深层同步辐射X光曝光 (2)显影 (3)电铸 (4)塑铸(铸模)
先进制造技术
微细加工与纳米制造技术
1.1 硅基微细加工技术
单晶硅是微机械采用最广泛的材料,硅基微细加工技术是微结构制造中的一种常用技术。 硅基微细加工技术主要指以硅材料为基础制作各种微机械零部件的加工技术,总体上可 分为体加工与面加工两大类。体加工主要指各种硅刻蚀(腐蚀)技术,而面加工则指各种薄膜制 备技术。这些技术在实际应用过程中还要借助于集成电路加工工艺,如光刻、扩散、离子注入、 外延和淀积等技术。
离子束加工出的2刃、4刃和6刃微细端铣刀
微细加工与纳米制造技术
日本FANUC公司和有关大学合作研 制的车床型超精密铣床,在世界上首次用 切削方法实现了自由曲面的微细加工。这 种超精密切削加工技术使用切削刀具,可 对包括金属在内的各种可切削材料进行微 细加工,也可利用CAD/CAM 技术实现三 维数控加工,具有生产率高、相对精度高 的优点。
boe腐蚀二氧化硅速率
boe腐蚀二氧化硅速率BOE腐蚀是一种常用的表面微细加工技术，常用于半导体行业中的集成电路制造过程中，用于制作绝缘体、衬底、闸电极等。
BOE是指氢氟酸：HF—H2O=1:10的混合液，也叫蚀刻液。
BOE可以高效地腐蚀硅基板上的二氧化硅（SiO2），形成微小孔洞、凹坑或图案。
本文将一步一步回答关于BOE腐蚀二氧化硅速率的问题，详细介绍BOE腐蚀的原理、工艺参数以及其影响因素。
第一部分：BOE腐蚀原理BOE腐蚀原理是基于氟离子与二氧化硅反应形成的氟硅酸根离子（H2SiF6），这种反应过程是一个溶解-再沉淀过程。
当HF浓度较低时，二氧化硅容易溶解，溶解速率较快；当HF浓度较高时，二氧化硅溶解生成的氟硅酸根离子与二氧化硅表面形成的氟硅酸盐层抑制了继续的溶解反应，从而减慢了腐蚀速率。
因此，BOE的腐蚀速率受到HF浓度的控制。
第二部分：BOE腐蚀速率的工艺参数BOE腐蚀速率与多种工艺参数有关，下面将介绍几个主要的参数。
1. HF浓度：HF浓度是影响BOE腐蚀速率的最主要参数。
较高浓度的HF 可以形成较厚的氟硅酸盐层，对二氧化硅的腐蚀速率有明显的限制作用，从而减慢腐蚀速率。
一般来说，HF浓度越高，腐蚀速率越低。
2. 温度：温度对腐蚀速率有较大的影响。
在一定的HF浓度下，随着温度的升高，分子运动剧烈，反应速率加快，腐蚀速率增加。
但温度过高会使腐蚀液挥发，稳定工作范围一般在20-40摄氏度之间。
3. 腐蚀时间：腐蚀时间是指在给定条件下二氧化硅与BOE反应的时间。
腐蚀时间越长，腐蚀深度越深。
第三部分：BOE腐蚀速率的影响因素除了上述的工艺参数外，还有其他一些因素会影响BOE腐蚀速率。
1. 表面质量：二氧化硅表面的缺陷、氧化物、有机物等都会影响BOE腐蚀速率。
表面缺陷和有机物会增加表面的活性，从而提高腐蚀速率；而氧化物则会形成抑制层，减慢腐蚀速率。
2. 加速装置：在一些工艺中，为了加快腐蚀速率，会通过机械、电学或物理方法来提高腐蚀效果，如超声波、搅拌、电场等。
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表面微细加工技术
微细加工技术结合了超精增亮和超精抛光两项革新技术，能够有选择性地保留表面的微观结构，以提高表面的摩擦和滑动性能(表面技术)，以机械化和自动化取代传统的手工抛光，提高表面的美学功能。
这种微细加工技术应用于切削刀具、冲压和锻造工具，航空、汽车、医疗器械、塑料注射模具等机械零件的表面处理，能够极大地改善零件表
面的性能。
微细加工技术采用全自动方式对金属零件表面进行超精加工，通过一种机械化学作用来清除金属零件表面上1～40μm的材料，实现被加工表面粗糙度达到或者好于ISO标准的N1级的表面质量。
微细加工技术主要应用于超精抛光和超精增亮这两个领域。
超精抛光使传统的手工抛光工艺自动化而超精增亮则生成新的表面拓扑结构。
纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的技术。
纳米科技现在已经包括纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米化学等学科。
从包括微电子等在内的微米科技到纳米科技，人类正越来越向微观世界深入，人们认识、改造微观世界的水平提高到前所未有的高度。
我国著名科学家钱学森也曾指出，纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将引起21世纪又一次产业革命。
•光刻是一种以光复印图形和材料腐蚀相结合的表面精密加工技
术。
前者是使图形复印到基片表面的光刻胶上，后者是把图形刻蚀到基片表面的各层材料(如Si02、Si3N4、多晶硅、铝等)上。
光刻胶上图形的复印是通过曝光和显影完成的。
限制图形重复性及分辨率的主要因素，是图形加工过程中所涉及到的物理和化学问题。
•在集成电路生产中，要经过多次光刻。
虽然各次光刻的目的要求和工艺条件有所不同，但其工艺过程是基本相同的。
光刻工艺一般都要经过涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀和去胶7个步骤。
•涂胶就是在SiO2或其他薄膜表面涂一层粘附良好、厚度适当、厚薄均匀的光刻胶膜。
涂胶前的基片表面必须清洁干燥。
生产中最好在氧化或蒸发后立即涂胶，此时基片表面清洁干燥，光刻胶的粘附性较好。
涂胶的厚度要适当。
•胶膜太薄-----针孔多，抗蚀能力差；
•胶膜太厚-----则分辨率低。
在一般情况下，可分辨线宽约为膜厚的5～8倍
•前烘就是在一定温度下，使胶膜里的溶剂缓慢挥发出来，使胶膜干燥，并增加其粘附性和耐磨性。
前烘的时间和温度随胶的种类及膜厚的不同而有所差别，一般由实验确定。
曝光就是对涂有光刻胶的基片进行选择性的光化学反应，使曝光部分的光刻胶在显影液中的溶解性改变，经显影后在光刻胶膜上得到和掩模相对应的图形。
•显影是把曝光后的基片放在适当的溶剂里，将应去除的光刻胶膜溶除干净，以获得刻蚀时所需要的光刻胶膜的保护图形。
显影液的选择原则是：
•对需要去除的那部分胶膜溶解得快，溶解度大
•对需要保留的那部分胶膜溶解度极小
•同时，要求显影液内所含有害的杂质少，毒性小。
•显影时间随胶膜的种类、膜厚、显影液种类、显影温度和操作方法不同而异，一般由实验确定。
•坚膜是在一定温度下对显影后的基片进行烘焙，除去显影时胶膜所吸收的显影液和残留的水分，改善胶膜与基片的粘附性，增强胶膜的抗蚀能力。
•刻蚀就是用适当的刻蚀剂，对未被胶膜覆盖的SiO2或其他薄膜进行刻蚀，以获得完整、清晰、准确的光刻图形，达到选择性扩散或金属布线的目的。
光刻工艺对刻蚀剂的要求是：
•只对需要除去的物质进行刻蚀，而对胶膜不刻蚀或刻蚀量很小。
要求刻蚀图形的边缘整齐、清晰，刻蚀液毒性小，使用方便
去胶就是在SiO2或其他薄膜上的图形刻蚀出来后，把覆盖在基片上的胶膜去除干净。
•用紫外光(200～400nm)在光刻胶上产生图形有多种方法，而最早采用的是接触曝光或接近曝光法。
这种方法很简
单，只需要用紫外光通过掩模对涂有光敏聚合物薄膜的基片进
行曝光即可。
掩模具有透明区和不透明区，图形就由这些区域
确定。
这种曝光技术(也称阴影曝光)多年来已广泛用于器件生
产中。