第五讲微细加工技术
微细加工技术
（b）
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）
2）各向异性刻蚀
各向异性刻蚀是指某个方向上的刻蚀速率远大于另 一方向。刻蚀速度与基底材料的结晶取向密切相关；硅 材料是一种各向异性材料，在3个晶面上表现出不同的性 质。对于特定的刻蚀剂，硅的[100]晶面的腐蚀速度最快， [110]晶面次之，[111]晶面的腐蚀速度最慢。硅各向异性 刻蚀在几何形状控制上具有许多优点，可以制作出许多 具有垂直侧壁的微机械零件。
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成为人们在微观领域认识和 改造客观世界的一种高新技术。
一般认为，微机械依其特征尺寸可以划分为：小型机 械（1mm-10mm），微型机械（1um-1mm）以及纳米机 械（1nm-1um）。从广义来讲，微机械包括微小型机械 和纳米机械。
微细加工是由多项技术构成的一个技术群体，主要 包括：
（1）由IC工艺技术发展起来的硅微细加工技术；
（2）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；
（3）由上述两种技术集成的新方法，如LIGA、准 LIGA技术等。
微细加工与常规尺寸加工的区别：
（1）加工精度的表示方法不同：一般尺度加工，加工精 度常用相对精度表示，微细加工用绝对精度表示；
所谓牺牲层技术就是在微结构层中嵌入一层牺牲 材料，在后续工序中有选择地将这一层材料腐蚀掉 而不影响结构层本身。这种工艺的目的是使结构薄 膜与衬底材料分离，得到各种所需的表面微结构。 常用的衬底材料为单晶硅片，结构层材料沉积的多 晶硅、氮化硅等，牺牲层材料多为二氧化硅。
（2）加工机理存在很大的差异：微细加工中加工单位急 剧减小，必须考虑晶粒在加工中的作用；
微细加工技术
微细加工技术的概念：微细加工技术是一种
新的集光刻、电铸和模铸于一体的复合微细 加工技术。
主讲人：
班 级：
学 号;
一、微细加工技术的简介 二、微细加工的特点 三、加工方法及其特点 四、微细加工的发展 五、微细加工发展的前景
微细加工技术简介
微细加工技术是精密加工技术的一个分支，面向微细加工的 电加工技术,激光微孔加工、水射流微细切割技术微细加工技 术应满足下列功能： 1）为达到很小的单位去除率（UR），需要各轴能实现足够 小的微量移动，对于微细的机械加工和电加工工艺，微量移 动应可小至几十个纳米，电加工的UR最小极限取决于脉冲 放电的能量。 2）高灵敏的伺服进给系统，它要求低摩擦的传动系统和导 轨主承系统以及高精度跟踪性能的伺服系。 3）高平稳性的进给运动，尽量减少由于制造和装配误差引 起的各轴的运动误差。 4）高的定位精度和重复定位精度。 5）低热变形结构设计。 6）刀具的稳固夹持和高的重复夹持精度。 7）高的主轴转速及极低的动不平衡。 8）稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。 9）具有刀具破损和微型钻头折断的敏感的监控系统。
微细加工发展前景
如果进入微观世界，能够捕获一个或多个单原子，然后 让它们重新排列组合，那么就会导致物质本身发生某些 变化，而这些变化将会对未来许多领域，及人类生活产 生巨大影响。例如，我们把组成水分子的氢和氧分开， 二者都是可以燃烧的。小的分子，只有足球体积的几亿 分之一，用机械方法，几乎是不可能捉住它，分子又是 由原子组成的，操纵一个原子，就更难了，而光可以做 到这一点。一束极细的激光，产生光子流，其动量转移 给物体，形成光压，再通过适当的光场分布，可以把那 种极小的原子俘获在一定的位置，并可方便把移动它。 实际上这就实现了对原子的操作。
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。
微细加工技术
微细加工技术我们前面学习了制造自动化技术，了解了数控加工技术中的超高速加工，其中包括（提问）超高速切削和超高速磨削加工。
另外对超高速切削机床的主轴单元做了简单介绍。
还有刀具的材料使用和自动装配技术。
我们这节课来学习一下另外一种新的先进制造技术微细加工技术，相对前面讲的内容，从字面上来理解，我们这部分内容应该具有什么特点？？提问，精密化和微细化还有智能化，是一种更先进的制造技术。
首先我们想一下，什么是微细加工技术？微细加工技术有哪些特点？它的发展现状又是怎样的呢？我们从这三个方面去了解这一章的内容。
60年代，微电子技术渗透到机械工程领域，机电一体化为机械装置在系统中和性能方面的改进，，促进了机械装置的微型化。
再加上集成电路的快速发展，加快了微电子系统的研究。
微细加工技术的发展时间较短，起于上世纪八九十年代，美国斯坦福大学1987年发明的100微米的静电微型电机，其转子直径为60微米，正式开启了微机电系统—MEMS的发展。
微细加工技术包括微机械和其相对应的加工技术。
在集成电路的加工技术的基础上将设备所需的结构集成到较小结构上，从而形成微机械。
与其相对应的加工技术就是微细加工技术，包括传感器技术，微型发动机技术和微机电系统技术，纳米技术等等。
我们这节课就微机械和微细加工技术两部分分别来了解这门先进制造技术。
微机械从五个方面来学习，包括概念、特征、发展现状、研究内容及其关键技术和其优点。
微机械在不同国家有不同的名称。
在日本根据加工尺寸分为。
第一页目前对微机械的定义还没有统一概论，一般是指小于1mm的机械结构。
宏观上来说就是体积尺寸较小的微型机械结构。
也可以定义为集成电路的制造基础上（特别是平板印制术，蚀刻技术）设计和制造微米领域的三维力学系统，以及微米尺度的力学元件。
它开辟了制造集成到硅片上的微米传感器和微米电机的崭新可能性。
如微型电动机，微型阀，微型传感器以及各种微型机械的投入使用。
实际上已经可以加工到纳米精度。
应用于光学和激光器的微细加工技术
应用于光学和激光器的微细加工技术微细加工技术是一种可制备微小结构和精密设备的技术，它被广泛应用于光学和激光器领域。
在这个领域中，微细加工技术可以用于制造微透镜、微结构和微电子机械系统等高精度零部件。
本文将介绍微细加工技术在光学和激光器领域的应用以及其中的一些技术细节。
一、微细加工技术在光学领域的应用光学元件是指能够调节或控制题目光波传输的元件，它们对于光学系统的性能至关重要。
在光学元件的制造中，微细加工技术可以用于制造微透镜、微透镜阵列、微凹凸面和微结构等。
这些微小的结构对于控制题目光波传输起着重要的作用。
（一）微透镜及其阵列微透镜是一种非常小的凹透镜，它可以制镶在芯片表面，使光线通过微透镜后汇聚，去掉散射问题，提高光学器件的分辨率。
而微透镜阵列由多个微透镜组成，可以对一块芯片进行大规模的光学加工，加工效率高，制造精度高，批量化生产。
微细加工技术可以用于制造微透镜和微透镜阵列，提高光学器件的性能和制造效率。
（二）微凹凸面和微结构微凹凸面可以用于光学器件的纹理处理和表面增强拉曼光谱技术。
微凹凸面和微结构可以通过微细加工技术进行制造。
二、微细加工技术在激光器领域的应用激光器是光学器件中的重要一环，其工作原理是利用各种物质（包括气体、晶体、半导体和液体等）在外部刺激下产生的放电、激发或光学相互作用，从而产生一束有特定波长、特定方向和相干的光。
微细加工技术在激光器的制造和调整中具有广泛的应用。
（一）激光器的制造微细加工技术可以用于激光器的零部件加工和装配。
例如，使用 Micro Electro Mechanical Systems（MEMS）技术可以制造激光器的振荡器，而微细加工技术中的纳米制造技术可用于制造激光器的金属反射镜。
（二）激光器的调整激光器的调整是指在制造完成后对其进行调整和改进以达到特定的性能指标。
微细加工技术可以对激光器进行微调，例如利用微镜或微齿轮结构来调节激光器内的折射率和驱动电压等参数以改进激光器的性能。
微细加工(第五章 微细加工中的薄膜技术-2013修改稿)
物理气相沉积2013 微细加工2013 微细加工电子束来加热蒸发源，使其蒸发并沉积在基片表面而形成薄膜。
电子束蒸发系统通常利用如图所示的由发射高速电子的电子枪和使电子作圆周运动的均匀磁场所组成。
从电子枪射出的电子束在电场作用下被加速穿过加速阳极孔，进入均匀磁场。
电子在均匀磁场中受罗仑兹力的作用而作圆周运动。
调节磁场的强度可控制电子的偏转半径，使电子束准确地射到蒸发源材料中心的表面上。
2013 微细加工72013 微细加工蒸发淀积2013 微细加工溅射沉积在纺织品上的应用2013 2013 微细加工2013 微细加工2013 微细加工2．RF(射频直流溅射只能溅射金属而无法溅射绝缘材料，因为在绝缘材料上加上直流负高压后，带正电荷的离子撞击到绝缘材料的靶上时，荷会堆积在靶表面，从而排斥后续正离子继续向靶轰击，阻止了溅射的进行。
而绝缘材料的背面加上一个金属电极，并在此电极上加上高频电压，从而在绝缘材料中感应产生位移电流。
这样，在负半周内绝缘材料表面积聚的正电荷就可以在正半周内被中和，使溅射可以继续进行，从而实现了绝缘材料薄膜的溅射沉积。
2013 微细加工2013 微细加工3．离子目前，离子束溅射已用于金属和绝缘体的溅射中，与其它溅射工艺相比，靶是处在较低气压的真空室中，因此可以有更多的溅射材料到达基片。
图5—4为离子束溅射沉积装置结构示意图。
离子束溅射沉积又称为二次离子束沉积，离子束(惰性或活性气体)溅射出的靶材料被沉积在基片上形成薄膜。
2013 微细加工化学气相沉积2013 微细加工232013 微细加工嘴，用氮气稀释的氧气或烷喷嘴，而废气则经喷嘴最外面的一对间隙排出。
喷嘴下方放置待加工基片的承片板，其下为电热板。
氧和处相混合，并在加热的基片和承片板上发生沉积反应。
承片板在电动机驱动下相对于喷嘴作等速运动。
当基片进入喷嘴区时开始沉积，离开时沉积结束。
在其他条件不变时，沉积膜的厚度与承2013 微细加工当系统压强降到1×102Pa 置基片的片距小到5～10mm 制与片子表面化学反应的速率相比仍可忽略不计。
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
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。
微细加工技术共34页文档
谢谢！
34
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种应付逆境的态度。——卢梭▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
微细加工技术
46、法律有权打破平静。——马·格林 47、在一千磅法律里，没有一盎司仁 爱。— —英国
48、法律一多，公正就少。——托·富 勒 49、犯罪总是以惩罚相补偿；只有处 罚才能 使犯罪 得到偿 还。— —达雷 尔
50、弱者比强者更能得到法律的保护 。—— 威·厄尔
▪
微细加工技术
2020/1/15
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。
2020/1/15
2)离子束溅射镀膜加工 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。
2020/1/15
3)离子束曝光 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。
2020/1/15
(3)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。
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 料在瞬间（10-3s）熔化和蒸发，熔融物被产生 的强烈冲击波喷溅出去。
激光加工机理—热效应
2020/1/15
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。
2020/1/15
微细加工技 术
2020/1/15
第1节 微细加工技术的出现 一、制造技术自身加工的极限
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---属于极小尺度的精密加工范畴。
2020/1/15
二、微细加工出现的历史背景
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。
微细加工技术及其在微型器件制造中的应用
微细加工技术及其在微型器件制造中的应用近年来，微细加工技术得到了广泛的关注和应用，它被广泛运用在微型器件制造等领域。
随着国家在技术创新领域不断推进，微细加工技术的应用也越来越广泛。
微细加工技术是指在微米级别下进行的精细加工，它是微米级别下的制造和加工技术。
与传统的加工技术不同，微细加工技术具有高精度、高效率、高自动化程度和高可靠性的优点。
它在微型器件制造中有着重要的应用价值。
一、微细加工技术的种类及特点微细加工技术包括激光加工技术、电解加工技术、原子力显微镜加工技术、电子束加工技术、离子束加工技术等。
这些技术各有特点，能够在微米级别下进行高精度加工，具有非常好的应用前景。
激光加工技术是指利用激光器产生激光束，在微米级别下进行高精度加工的一种技术。
激光加工技术具有高效率、高精度、无接触等优点。
它被广泛运用在微型器件的制造、加工和维护等方面。
电解加工技术是一种电化学加工技术，它在微米级别下进行高精度加工。
与传统加工技术相比，电解加工技术具有高精度、高效率、无振动、无热影响等优点。
它被广泛运用在制造的精密部件、微型加工计量和微型传感器等领域。
原子力显微镜加工技术是一种利用原子力显微镜对微米级别下的原子进行精细加工的一种技术。
与传统加工技术相比，原子力显微镜加工技术具有高精度、高效率、无接触、无振动等优点。
它被广泛用于制造、加工和观测微型器件。
二、微细加工技术在微型器件制造中的应用微细加工技术在微型器件制造中有着重要的应用价值。
例如，微机电系统（MEMS）中的传感器和执行器等部件需要进行微细加工，以实现高精度、高灵敏度、高性能等特点。
其中，微细加工技术在MEMS加工中发挥着重要的作用。
MEMS是在单个晶片上集成化微型机械和电子成分的系统，它是微细加工技术的集大成者。
MEMS 系统具有非常广泛的应用前景，如生物医疗、通信、工业制造等领域。
在MEMS加工中，需要应用激光加工技术、离子束加工技术、电子束加工技术等微细加工技术。
微细加工技术培训课件
欢迎来到微细加工技术培训课程！本课程将为您介绍微细加工技术的应用领 域、常用工具和设备，以及操作方法和注意事项。
微细加工技术的应用领域
1 医疗器械制造
微细加工技术在制造人工关节、支架 和手术工具方面发挥着重要作用。
2 电子设备制造
微细加工技术在半导体、光电子和微 电子领域的芯片制造和组装中得到广 泛应用。
3 微机械制造
微细加工技术用于制造微型机构、传感器、微型泵和微流控芯片等微机械设备。
微细加工的工具和设备
微铣床
用于零件的精密铣削加工，实 现高精度和复杂形状。
激光切割机
通过激光束实现对材料进行精 密切割，适用于各种材料。
微型注塑机
用于微小零件的塑料注射成型， 实现高效和高质量的生产。
微细加工的常用材料
高级加工技术
精密测量方法
材料研究
了解更多先进的微细加工技术， 如纳米加工和激光微纳加工。
学习使用更高精度的测量设备， 如电子显微镜和扫描探针显微 镜。
探索新材料的微细加工应用和 性能测试，推动该领域的进一 步发展。
3
精密加工
通过微细加工设备进行精密铣削、切割或注塑等加工操作。
微细加工技术的注意事项
1 安全第一
戴好相关防护设备，遵 守操作规程，确保人员 和设备的安全。
2 精确测量
使用高精度测量工具进 行零件尺寸和表面质量 的检测。
3 定期维护
定期对设备进行维护保 养，保持其正常运行和 加工精度。
微细加工技术进阶实践
金属
包括铝合金、不锈钢和钛 合金等，具有高强度和耐 腐蚀性。
聚合物
如聚酰亚胺和聚碳酸酯， 可制成微型零件和微流控 芯片等。
先进制造技术-5-6微机械及微细加工技术
五、微机械及微细加工技术1、微机械简介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微细加工极限。
探索有效实用的微细加工技术，并使其能在工业生产中得到应用。
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并被列为21世纪的关键技术之首。
比如，美国宇航局投资1亿美元着手研制“发现号微型卫星”；说明：卫星有大型、小型卫星、微型卫星和纳米卫星，区别是：小型卫星为一种可用常规运载器发射的航天器，质量为100～500kg；微型卫星定义为所有的系统和子系统都全面体现了微型制造技术，质量为10～100kg；纳米卫星是一种尺寸减小到最低限度的微卫星，质量为1～10 kg。
在航天发展史上，由于受运载能力及技术水平的限制，早期研制的卫星都采用小卫星方案，其重量只有几十千克。
70年代末，由于大推力运载火箭的研制成功和设计与制造能力的提高，大型多功能卫星开始出现，卫星体积不断增大，功能也越来越复杂。
随之而来的是成本不断攀升，风险逐渐增加。
如一枚“大力神”／“半人马座”运载火箭连同所发射的侦察卫星价值可达10.5亿美元以上，一旦发射失败就会造成严重的损失。
而且，卫星一旦被淘汰，形成严重的太空污染。
为此，航天界又将目光重新投向了小卫星。
由于技术的进步，特别是微电子技术的进步，新一代的小卫星采用了许多小型高性能电子部件，但它们同样具有一些大型卫星才有的功能，并为小卫星进一步微型化，进而为微型卫星、纳米卫星的发展奠定了基础。
纳米卫星的概念最早是由美国宇航公司于1993年在一份研究报告中首次提出的，它带来了小卫星设计思想上的根本变革。
纳米卫星是以微机电一体化系统(MEMS)技术和由数个MEMS组成的专用集成微型仪器(ASIM)为基础的一种全新概念的卫星，重量在10千克以下，甚至可降低到0.1千克以下。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
组成微系统。
1
硅膜片电容式压 力传感器
（1）在单晶硅基底上，用各向异性腐蚀技术（体去除加工）制成一个三 维空腔，空腔上形成一个硅膜片，直径1000微米，厚20微米。 （2）在硅基底上沉积SiO2掩膜作绝缘层（厚度几个微米）；在绝缘层上 蒸镀直径700微米，厚20微米的金属电极。 （3）通过光刻、照相、腐蚀、镀层等微电子工艺制作集成电路IC。 （4）在电极与集成电路周围用键合技术制作支承，分别把镀层电极和屏 蔽层（静电盾）的玻璃衬底与支承用键合技术连接。 （5）通过预留连接孔与外部连接引线，电容电极间隙在1~5微米之间。测 量时感知电容与校正电容比较，产生。通过改变刻蚀剂的成分配 比、浓度、温度可以获得不同的刻蚀速率。
12
（2）各向异性刻蚀 对硅的各向异性刻蚀是制造微机械结构的关键技术之一， 利用这种技术能够制造出微传感器和执行器的精密三维结构。 由于单晶硅为各向异性体，表现在化学刻蚀性方面也为各向异 性，即在各向的刻蚀速率不同。刻蚀速率与晶向、掺杂浓度及 外加电压有关。沿主晶面（100）的刻蚀速率最快，沿（111） 面最慢，刻蚀速率比约为400﹕1。（110）面的刻蚀速率介于 两者之间。
又分为常压化学气相淀积、低压化学气相淀积、等离子强化
化学气相淀积3种方法。
24
化学气相沉积（CDV） 如图，高温使含有待沉积物质的化合物升华成气体，与另一 种气体化合物在一个反应室中进行反应，生成固态的沉积物 质，使之沉积在衬底上而生成薄膜。
25
• 目前主要用到的化学气相沉积法有： 常压化学气相淀积（APCVD）：经常用来淀积二氧 化硅膜。 APCVD淀积的薄膜台阶覆盖能力较差。 低压化学气相淀积（LPCVD）：具有良好的台阶覆 盖能力。 等离子增强化学气相淀积（PECVD）：采用等离子 体把电能耦合到气体中，促进化学反应的进行，从 而来淀积薄膜的方式。
11
（1）各向同性刻蚀 对硅的各向同性刻蚀主要完成以下工艺过程： 清除硅表面的污染或修复被刻划伤了的硅表面； 形成单晶硅平膜片；
形成单晶硅或多晶硅薄膜上的图案，以及圆形或椭圆形截面 的腔和槽等。
硅的各向同性刻蚀通常采用氧化剂硝酸、去除剂氢氟酸、以 及醋酸混合成的刻蚀剂，一般称为HF-HNO2刻蚀系统。
19
（2）物理气相淀积（PVD）。 物理气相淀积是利用真空蒸镀法和溅射法，使被淀积的原 子（或原子团、分子）经过一段空间飞行后落到衬底上面而
淀积成薄膜的方法。其中真空蒸镀法可以用蒸发铝合金来制
作电极或直接在敏感元件上制作薄膜，其优点是设备简单、 成膜速度快，但形成的薄膜强度低，难以制造化合物膜。溅 射法目前应用更广泛，它包括直流溅射和射频溅射。直流溅 射只能溅射合金薄膜，在应用上具有局限性；而射频溅射可
2
一、光刻技术
光刻技术是加工制造半导体集成电路和集成传感器微图形结 构的关键技术。光刻技术的运用使大规模生产变得经济可行。 可以在一块晶片上并行制造众多结构，可以将先前设计的众 多结构复制出来，无磨损、无破坏地传送到晶片上。 所谓光刻是指在一块平整的硅片上利用照相复制与化学腐蚀 相结合的技术将超小型的图案刻印上去来制作复杂精密的电 路或微机械结构的技术。 光刻技术中涂在光刻硅片上的光刻胶与相片中的相纸原理是 一样的，掩膜与底片的功能也是一样的。 对光刻技术的一般要求是：高分辨率、高灵敏度、低缺陷、 精密套刻对准和大尺寸硅片加工等。
5
接近式光刻装置示意图
6
接触式光刻示意图
接近式光刻示意图
7
投影式光刻系统示意图
8
2.X射线光刻技术
极高分辨率（衍射效应可忽略），成像图形清晰
9
硅微加工技术之刻蚀技术 二、刻蚀技术
• 刻蚀是体硅微加工技术常用方法。刻蚀的基本目标是在涂 胶的硅片上正确复制掩膜图形。有图形的光刻胶层在刻蚀 中不会受到腐蚀液显著的侵蚀，未被光刻胶保护的区域则 会被有选择地刻蚀掉。 • 刻蚀包括：（1）湿法各向同性刻蚀；（2）湿法各向异性 刻蚀；（3）等离子各向同性刻蚀；（4）反应离子腐蚀
各向异性刻蚀主要用于在硅衬底上形成不同的微结构，因此用 途更广。
13
硅在不同晶面上的晶胞密度不同是造成各向异性刻蚀的主要
原因。（111）面上的晶胞堆积密度大于（100）面，所以其 刻蚀速率慢。此外还与硅表面上未成对的每个原子悬挂键的 密度有关。（100）面上每个硅原子有两个悬挂键，可以结合 两个OHˉ;（111）面上每个硅原子仅有一个悬挂键，所以刻蚀
23
（4）化学气相淀积（CVD）。 化学气相淀积是把含有构成薄膜元素的一种或多种化合物、 单质气体供给基片，借助于气相作用或在基片上的化学反应
生成所需要的薄膜。主要生成反应过程为：使含有待淀积材
料的化合物升华为气体，与另一种气体或化合物在一个高温 反应室中进行反应，生成固态的淀积物质，使之淀积在加热 至高温的衬底上，生成薄膜。这种方法可以制造出多种用途 的微机电器件薄膜，如介质膜、半导体膜等。化学气相淀积
图（b）显影后去除要刻蚀区域的光刻胶； 图（c）刻蚀后，由于光刻胶的抗蚀作用，仅暴露的薄膜被刻掉； 图（d）洗掉光刻胶后，得到所需图案。
30
表面牺牲层技术 为了形成多层薄膜图形，需要采用表面牺牲层技术
所谓牺牲层实际上是一层作为中间层的薄膜，在后续工序中
这层薄膜将被去除，从而得到悬浮的可动的微机械结构部件。 表面牺牲层制作的一般过程如下：先在衬底上淀积一层牺牲 层材料，利用光刻，刻蚀成一定的图形，然后淀积作为机械 结构的材料并光刻出所需的图形，再将支撑结构层的牺牲层 材料腐蚀掉，以形成一个空腔或使其上面的结构材料“悬浮” 起来，以形成悬臂梁、悬臂块、微型桥等各种运动机构。 常用的结构材料有多晶硅、单晶硅、氮化硅、氧化硅和金属
26
例：薄膜工艺在压力微传感器制作中的应用
在弹性衬底（如石英等绝缘材 料）上进行溅射或沉积一层导 电薄膜，再采用光刻方法形成 应变电阻，然后在应变电阻上 溅射一层SiO2或Al2O3来保护 应变电阻使其不暴露于大气， 以免电阻条被氧化。 如果是金属弹性衬底，一般首 先在金属弹性衬底上溅射一层 或多层绝缘膜（如SiO2或 Al2O3等）。
（RIE）；（5）自停止刻蚀技术。
• 湿法刻蚀是用化学反应方式去除硅片表面的材料。它刻蚀 线条比较粗，一般应用在尺寸相对比较大的情况下。 KOH是一种被广泛使用的腐蚀液。
10
硅微加工技术之刻蚀技术
• 对硅的刻蚀包括各向同性刻蚀和各向异性刻蚀。各向异性 刻蚀主要用于在硅衬底上形成不同的微结构，因此用途更 广。
现代传感器的发展方向是微型化、多功能化和智能化。在硅
集成电路工艺基础上发展起来的微细加工技术能将尺寸缩小
到光波长数量级，且能批量生产微型低成本传感器。除氧化、 掺杂、光刻、腐蚀、沉积等硅集成电路工艺外，还有一些独 特的加工技术和新的加工方法，如各向异性腐蚀技术、LIGA 技术、键合技术、准分子激光加工技术等，不但可进行高精 度三维加工，还可以将微型传感器和信号检测及处理电路集 成一体，以及将微型机械元件等执行器与传感器集成一体，
四、硅的表面微加工工艺
表面微加工技术是以硅片作基片，通过淀积与光刻形成薄
膜图形。
薄膜主要是多晶硅膜、氮化膜、二氧化硅膜等，它们为微 器件提供敏感元件、绝缘层、结构层、耐腐蚀、耐磨层和牺 牲层。 薄膜生成常采用物理气相淀积和化学气相淀积工艺。
29
典型平面微加工技术：薄膜制备、光刻和刻蚀。
图（a）用光刻胶薄膜掩盖要刻蚀的薄膜，然后通过掩膜使之曝光；
轻掺杂自停止刻蚀
重掺杂自停止刻蚀
阳极自停止刻蚀等等
17
三、表面膜的加工工艺
表面膜的加工工艺是微传感器技术中最基础的工艺，可分为厚 膜工艺和薄膜工艺两类。厚膜工艺出现较早，应用技术成熟； 而薄膜工艺与MEMS技术有良好的兼容性，是微传感器研发应 用的主流工艺。
1.厚膜工艺 厚膜工艺采用的是具有弥散在有机溶剂中的普通金属或贵金属 微粒（平均直径为5µm）的膏剂或“涂料”，以及使这些膏剂 固化的玻璃料。依据弥散微粒的不同，膏剂可以分为导电型、 电阻型、介质型三种。这些膏剂按照预定的图案，通过丝网印 刷技术制作到基片上。然后将带有沉积膜的基片烘干、焙烧， 使金属粉结块，使沉积膜与基片结合。
18
2.薄膜工艺 薄膜由在抛光的高纯度（99.6%）氧化铝或若碱性玻璃基片上进 行沉积形成。 薄膜工艺采用的沉积方法与集成电路制造中采用的方法相同，即 旋转涂敷、蒸镀、溅射（物理气相淀积（PVD）） 、反应性生 长、化学气相沉积和等离子体沉积等 。
（1）旋转涂敷 薄膜材料在挥发性溶剂中溶解并灌注到快速旋转的基片上。旋转 时，液体蔓延，挥发性溶剂蒸发，从而留下0.1~50µm的均匀固 体层。该法简单而廉价，但当基片存在超出膜厚2~3倍的台阶时， 这种方法难以得到连续的膜。 旋转涂敷方法最常见于平面光刻工艺中，用于在基片表面制备光 刻胶薄膜。在微传感器中，常用于制备化学微传感器敏感膜。
用于制造金属膜、介质膜、压阻膜、压电膜及半导体膜等。
20
蒸镀 在安放着基片的真空室内，通过真空蒸镀的方法也可形成薄膜。 如图。
21
溅射
22
（3）反应性生长 一些能与基片起反应的材料可以通过它们的反应来沉积， 称为反应性生长，这种方法广泛用于硅表面生长二氧化硅。
干法氧化： Si（硅片）+O（气体） SiO（薄膜） 2 2 湿法氧化： Si（硅片）+2H2O（气体） SiO（薄膜） +2H2 2 该法简单，在含有反应气体的炉中就可完成，薄膜的质量 好。但受反应物向基片表面下进行扩散的速度限制，仅能 制备厚度不超过1µm的很薄的薄膜。
3
光刻工艺流程 底膜处理→旋转涂胶→烘焙 →对准与曝光→显影→坚膜烘 焙
4
1.光学光刻技术 光刻法是通过将掩膜在感光抗蚀剂内成像而生成图形的。 常用光源为水银蒸汽灯，波长为435nm、405nm、365nm。 光刻方法主要有三种：接触式、接近式、投影式。 掩膜与抗蚀剂直接接触，称为接触式光刻；若是与抗蚀剂之 间有一个小间隙（20~50µm），以防止掩膜由于粉尘粒子被 擦伤，则称为接近式光刻；高分辨率系统利用透镜在抗蚀剂 上生成掩膜原图的缩小影像，称为投影式光刻。