体硅微加工技术培训教材(PPT52张)

电火花加工机床

工作要素
电极材料——要求导电，损耗小，易加工；常用材料： 紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等，其中石墨最常用。
工作液——主要功能压缩放电通道区域，提高放电能量 密度，加速蚀物排出；常用工作液有煤油、机油、去离子 水、乳化液等。 放电间隙——合理的间隙是保证火花放电的必要条件。 为保持适当的放电间隙，在加工过程中，需采用自动调节 器控制机床进给系统，并带动工具电极缓慢向工件进给。
图7-73 激光切割
图7-74 激光焊接车身

电火花加工 利用两个电极间的火花 放电产生的高热使火花 放电区的材料熔化； 对材料的要求是导电 特点： 可加工导体或半导体超 硬材料 非接触加工 可制作高深宽比结构

电火花加工

激光加工特点 加工材料范围广，适用于加工各种金属材料和非金属材料， 特别适用于加工高熔点材料，耐热合金及陶瓷、宝石、金刚 石等硬脆材料。 加工性能好，工件可离开加工机进行加工，可透过透明材 料加工，可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工。 非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。 可进行微细加工。激光聚焦后焦点直径理论上可小至1μ以 下，实际上可实现φ0.01mm的小孔加工和窄缝切割。 加工速度快，效率高。 激光加工不仅可以进行打孔和切割，也可进行焊接、热处 理等工作。
离子溅射刻蚀是纯粹的物理刻蚀过程，氩 气是最通用的离子源气体。

反应气体刻蚀
利用二氟化氙XeF2在气态可以直接与硅反 应生成挥发性SiF4产物的性质，可以对硅表 面进行各向同性刻蚀。


干法刻蚀与湿法腐蚀对比
导轮
Y 电极丝
X
工件
电火花线切割原理图

加工过程显示
电火花线切割机床
电火花线切割加工

电火花加工特点 不受加工材料硬度限制，可加工任何硬、脆、韧、软的 导电材料。 加工时无显著切削力，发热小，适于加工小孔、薄壁、 窄槽、形面、型腔及曲线孔等，且加工质量较好。 脉冲参数调整方便，可一次装夹完成粗、精加工。 易于实现数控加工。 电火花加工应用 电火花成形加工：电火花打孔常用于加工冷冲模、拉丝 模、喷嘴、喷丝孔等。型腔加工包括锻模、压铸模、挤压 模、塑料模等型腔加工，以及叶轮、叶片等曲面加工。 电火花线切割：广泛用于加工各种硬质合金和淬硬钢的 冲模、样板、各种形状复杂的板类零件、窄缝、栅网等。
等离子腐蚀
利用气体辉光放电电离和分解稳定的原子所形 成的离子和活性物质，与被腐蚀的固体材料作 用，产生挥发性的物质或气态产品。 刻蚀过程主要是化学反应刻蚀，是各向同 性的，主要作为表面干法清洗工艺。


• 离子轰击的作用： 1.将被刻蚀材料表面的原子键破坏； 2.将再淀积于被刻蚀表面的产物或聚合物打掉
干法刻蚀的优点：
具有分辨率高、各向异性腐蚀能力强、腐蚀的 选择比大、能进行自动化操作等
干法刻蚀的过程：
腐蚀性气体离子的产生 离子向衬底的传输 吸附及反应 衬底表面的腐蚀 钝化及去除 腐蚀反应物的排除

干法腐蚀的主要形式：
*纯化学过程：（等离子体腐蚀 ) *纯物理过程： (离子刻蚀、离子束腐蚀） *物理化学过程：反应离子腐蚀RIE ，感应 耦合等离子体刻蚀ICP.

DRIE、ICP刻蚀工艺

等离子体腐蚀的主要现象和特点
1.现象 （1）各向同性腐蚀 （2）各向异性腐蚀 （3）溅射腐蚀

主要特点
（1）速率高
ER :7 m /min
（2）环境清洁，工艺兼容性好。 （3）掩膜选择性好 >30：1

电解加工
工作原理：工件接阳 极，工具（铜或不锈 钢）接阴极，两极间 加直流电压6～24V， 极间保持0.1～1mm间 隙。在间隙处通以 6 ～60m/S高速流动电 解液，形成极间导电 通路，工件表面材料 不断溶解，溶解物及 时被电解液冲走。工 具阴极不断进给，保 持极间间隙。
需要较高的刻蚀速率，否则刻穿500um厚的硅 片需要太长的时间；
需要极好的各向异性，即刻蚀的边壁垂直。
除了离子物理溅射之外，反应离子刻蚀从 本质上是各向同性，为了阻止或减弱侧向 刻蚀，只有设法在刻蚀的侧向边壁沉积一 层抗刻蚀的膜。

Bosch工艺和Cryogenic工艺
工作原理：利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电， 产生瞬时高温，工件材料被熔化和气化。同时，该处绝缘液 体也被局部加热，急速气化，体积发生膨胀，随之产生很高 的压力。在这种高压作用下，已经熔化、气化的材料就从工 件的表面迅速被除去。 ◆ 4个阶段： 进给 放电间隙 工具电极 系统 1）介质电离、击穿， 工件电极 形成放电通道； 直流 2）火花放电产生熔 脉冲 化、气化、热膨胀； 电源 工作液 3）抛出蚀除物； 4）间隙介质消电离 Real 电火花加工原理图 （恢复绝缘状态）。
装置成本
典型的腐蚀率 操作参数 腐蚀速率控制
昂贵
慢（0.1µm/min）到快（6µm/min） 多 在缓慢腐蚀时好
较昂贵
快（1µm/min以上） 很少 困难

其它物理刻蚀技术 激光微加工技术
飞秒激光对材料表面的辐照时间如此之 短，激光的能量没有时间转化为热量扩 散到相邻区域； 激光微加工是一种快速成型技术，不需 要曝光、显影、刻蚀的中间步骤，不受 材料形状与大小的限制； 喷墨打印头上的孔
参数 方向性 生产自动化程度 环境影响 掩模层粘附特性 选择性 待腐蚀材料 工艺规模扩大 清洁度 临界尺寸控制 干法腐蚀 对大多数材料好 好 低 不是关键因素 相对差 仅特定材料 困难 有条件地清洁 非常好（<0.1µm） 湿法腐蚀 仅对单晶材料（深宽比高达100） 差 高 非常关键 非常好 所有 容易 好到非常好 差
阴极进给 工具阴极 工件阳极 泵 电解液
直流 电源
电解加工原理图

激光加工可控性好，易于实现自动控制。加工设备昂贵。

激光加工应用 激光打孔 ◎广泛应用于金刚石拉丝模、钟 表宝石轴承、陶瓷、玻璃等非金属 材料，和硬质合金、不锈钢等金属 材料的小孔加工。 ◎激光打孔具有高效率、低成本 的特点，特别适合微小群孔加工。 ◎焦点位置对孔的质量影响：若 焦点与加工表面之间距离很大，则 激光能量密度显著减小，不能进行 加工。如果焦点位置偏离加工表面 1mm，可以进行加工，此时加工出 孔的断面形状随焦点位置不同而发 生变化。
所谓Bosch工艺就是在反应离子刻蚀的过程 中，不断在边壁上沉积抗刻蚀层或边壁钝化

八氟环丁烷离化后在底 面和侧壁形成聚合物钝 化层。 通入刻蚀气体SF6刻蚀 掉底部钝化层，并进一 步刻蚀硅。新暴露的侧 壁被新的钝化层覆盖。

离子溅射刻蚀


激光器 固体激光器 ◎YAG（结晶母材由钇、铝和石榴石构成）激光器 ◎红宝石激光器 气体激光器——CO2激光器 ◎混合气体：氦 电极 放电管 冷却水进口 CO2气体 约80%，氮约15%， CO2 约5% 激光 ◎通过高压直流 放电进行激励 反射平镜 反射 ◎ 波 长 10.6μm ， 冷却水出口 凹镜 为不可见光 高压直流电源 ◎能量效率 5% ～ CO2激光器示意图 15%
四、干法腐蚀
湿法腐蚀的缺点：图形受晶向限制，深宽比较差， 倾斜侧壁，小结构粘附。
狭义的干法刻蚀主要是指利用等离子体放 电产生的化学过程对材料表面的加工 广义上的干法刻蚀则还包括除等离子体刻 蚀外的其它物理和化学加工方法，例如激 光加工、火花放电加工、化学蒸汽加工以 及喷粉加工等。

脉冲宽度与间隔——影响加工速度、表面粗糙度、电极 消耗和表面组织等。脉冲频率高、持续时间短，则每个脉 冲去除金属量少，表面粗糙度值小，但加工速度低。 通常放电持续时间在2μs至2ms范围内，各个脉冲的能量 2mJ到20J（电流为400A时）之间。

电火花加工类型 电火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等 电 火 花 线 切 割 加 工：用连续移动的 钼丝（或铜丝）作 工具阴极，工件为 储丝筒 阳极。机床工作台 带动工件在水平面 内作两个方向移动， 可切割出二维图形。 同时，丝架可作小 角度摆动，可切割 出斜面。
改善刻蚀的方向性，即各向异性，一直是反 应离子刻蚀技术发展过程中不懈追求的目标。 完全化学刻蚀是各向同性的，完全的物理刻 蚀虽然有很好的方向性，但有很差的选择性， 即掩模本身经受不了长时间的刻蚀。
电感耦合等离子体（ICP），Bosch工艺

反应离子深刻蚀的要求：
焦点位置对孔形状影响

激光切割 ◎激光切割具有切缝窄、速度快、热影响区小、省材料、 成本低等优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。 ◎可以切割钢板、不锈钢、钛、钽、镍等金属材料，以及 布匹、木材、纸张、塑料等非金属材料。 激光焊接 ◎与打孔相比，激光焊接所需能量密度较低，因不需将材 料气化蚀除，而只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起。 ◎优点：没有焊渣，不需去除工件氧化膜，可实现不同材 料之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。 激光热处理 ◎原理：照射到金属表面上的激光使表面原子迅速蒸发， 由此产生微冲击波会导致大量晶格缺陷形成，达到硬化。 ◎优点：快速、不需淬火介质、硬化均匀、变形小、硬化 深度可精确控制。

激光加工
工作原理 激光是一种受激辐射而得 到的加强光。其基本特征： ◎强度高，亮度大 ◎波长频率确定，单色性好 ◎相干性好，相干长度长 ◎方向性好，几乎是一束平 行光
激光器
光阑
反射镜
电源
聚焦镜 工件 工作台
Real
激光加工原理图
当激光束照射到工件表面时，光能被吸收，转化成热能， 使照射斑点处温度迅速升高、熔化、气化而形成小坑，由于 热扩散，使斑点周围金属熔化，小坑内金属蒸气迅速膨胀， 产生微型爆炸，将熔融物高速喷出并产生一个方向性很强的 反冲击波，于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。

反应离子刻蚀
反应离子刻蚀（Reactive ion etch）是在等 离子中发生的。 随着材料表层的“反应－剥离－排放”周 期循环，材料被逐层刻蚀到制定深度。 衡量反应离子刻蚀的指标：
掩模的刻蚀比 刻蚀的各向异性程度 其它：刻蚀速率、刻蚀均匀性等

（4）表面光洁度好，应力集中少
（5）无晶向限制
CN
适应性
（1）好的截面形状，易于满足铸模要求。 （2）高的腐蚀速率，适于体硅要求。 （3）利用各向同性腐蚀，满足牺牲层腐蚀要 求。 （4）可用于活动结构制作。 （5）可用于高深宽比结构制作。

反应离子深刻蚀

在物理腐蚀方法中，利用放电时所产生的高能 惰性气体离子对材料进行轰击，腐蚀速率与轰 击粒子的能量、通量密度以及入射角有关； 在化学腐蚀中，惰性气体（如四氟化碳）在高 频或直流电场中受到激发并分解（如形成氟离 子），然后与被腐蚀材料起反应形成挥发性物 质； 在物理化学结合的方法中，既有粒子与被腐蚀 材料的碰撞，又有惰性气体与被腐蚀材料的反 应。