第十二章 表面微细加工技术
第十二章 表面微细加工技术
• 3、超细线条曝光技术 • 1）远紫外光曝光技术：远紫外光的波长为 200~300nm，与常规光刻曝光工艺中采用的 400nm左右的紫外光相比，光的波长缩短一 半左右，因此，可以获得更高分辨率的光刻 线条。 • 2）电子束曝光技术：电子束曝光是利用电 子束在涂有光刻胶的晶片上直接描画或投影 复印图形的技术。电子束曝光系统的加速电 压通常在10~50kV之间，其相应的电子束波 长范围为0.005~0.01nm。如此短的波长就克 服了衍射效应的限制，从而使电子束曝光具 有极高的分辨率，其极限分辨率可达3~8nm。
• 4、显影 • 将曝光后的Si片在显影液中浸泡数十秒，则 负性光刻胶的未感光部分将被溶解，从而 使掩模上的图形被完整地复制到光刻胶上。 显影后一般应检测图形是否套准，是否符 合质量要求。
• 5、坚膜 • 显影完并经清洗后，对有光刻胶膜图像的Si 片再次烘烤，称为坚膜。此过程是为了排 除光刻胶膜中残留的显影液和水分，使胶 膜硬化并使其与SiO2膜有更好的黏附性， 并提高胶膜的耐刻蚀能力。坚膜一般是在 180~200摄氏度的温度下烘烤大约30mi量比电子大， 在光刻胶和基片中的散射小，所以离子束 曝光的分辨率比电子束曝光高。 • 4）X射线曝光：X射线曝光光源的波长为 0.1~1.4nm，比紫外光短2~3个数量级，用 作曝光源时可提高光刻图形的分辨率，可 以刻出0.02微米的细微线条。
12.1.2 LIGA微细加工技术
• LIGA能在微米级制造平面尺寸，高宽比大 于200的三维微形立体结构件；而且加工的 材料比较广泛，可以是金属、陶瓷和塑料 等材料，尤其适合进行高重复精度的大批 量生产。
• 1、LIGA的工艺过程 • LIGA是德文的光刻照相（Lithographie）、电 铸（Galvanoformng）、模铸（Abformung） 三个词语的缩写，依次表示了该工艺的三个加 工过程：深度同步辐射X射线光刻、电铸成形 和注塑成形。
表面工程复习题答案
表⾯⼯程复习题答案⼀、名词解释表⾯⼯程技术：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。
表⾯能：严格意义上指材料表⾯的内能，包括原⼦的动能、原⼦间的势能以及原⼦中原⼦核和电⼦的动能和势能等。
洁净表⾯：材料表层原⼦结构的周期性不同于体内，但其化学成分仍与体内相同的表⾯。
清洁表⾯：⼀般指零件经过清洗(脱脂、浸蚀等)以后的表⾯。
区别：洁净表⾯允许有吸附物，但其覆盖的⼏率应该⾮常低。
洁净表⾯只有⽤特殊的⽅法才能得到。
清洁表⾯易于实现，只要经过常规的清洗过程即可。
洁净表⾯的“清洁程度”⽐清洁表⾯⾼。
吸附作⽤：物体表⾯上的原⼦或分⼦⼒场不饱和，有吸引周围其它物质(主要是⽓体、液体)分⼦的能⼒。
磨损：相对运动的物质摩擦过程中不断产⽣损失或残余变形的现象。
腐蚀：材料与环境介质作⽤⽽引起的恶化变质或破坏。
极化：腐蚀电池⼯作时，阴、阳极之间有电流通过，使阴、阳极之间的电位差(实际电极电位)⽐初始电位差要⼩得多的现象。
钝化：由于⾦属表⾯状态的改变引起⾦属表⾯活性的突然变化，使表⾯反应速度急剧降低的现象。
(阳极反应受阻的现象)表⾯淬⽕：⽤特定热源将钢铁材料表⾯快速加热到Ac3(对亚共析钢)或者Ac1(对过共析钢)之上(奥⽒体化)，然后使其快速冷却并发⽣马⽒体相变，形成表⾯强化层的⼯艺过程。
喷丸强化：利⽤⾼速喷射的细⼩弹丸在室温下撞击受喷⼯件的表⾯，使表层材料在再结晶温度之下产⽣弹、塑性变形，并呈现较⼤的残余压应⼒，从⽽提⾼⼯件表⾯强度、疲劳强度和抗应⼒腐蚀能⼒的表⾯⼯程技术。
(喷丸强化技术)热喷涂：采⽤各种热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后⽤⾼速⽓体使涂层材料分散细化并⾼速撞击到基体表⾯形成涂层的⼯艺过程。
电镀：在含有欲镀⾦属的盐类溶液中，在直流电的作⽤下，以被镀基体⾦属为阴极，以欲镀⾦属或其它惰性导体为阳极，通过电解作⽤，在基体表⾯上获得结合牢固的⾦属膜的表⾯⼯程技术。
微细加工技术概述及其应用
2011 年春季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目:微细超精密机械加工技术原理及系统设计学生所在院（系）:机电工程学院学生所在学科:机械设计及理论学生姓名:杨嘉学号:10S008214学生类别:学术型考核结果阅卷人微细加工技术概述及其应用摘要微细加工原指加工尺度约在微米级范围的加工方法，现代微细加工技术已经不仅仅局限于纯机械加工方面，电、磁、声等多种手段已经被广泛应用于微细加工，从微细加工的发展来看，美国和德国在世界处于领先的地位，日本发展最快，中国有很大差距。
本文从用电火花加工方法加工微凹坑和用微铣削方法加工微小零件两方面描述了微细加工技术的实际应用。
关键词：微细加工；电火花；微铣削1微细加工技术简介及国内外研究成果1.1微细加工技术的概念微细加工原指加工尺度约在微米级范围的加工方法。
在微机械研究领域中，从尺寸角度，微机械可分为1mm~10mm的微小机械，1μm~1mm的微机械，1nm~1μm的纳米机械，微细加工则是微米级精细加工、亚微米级微细加工、纳米级微细加工的通称。
广义上的微细加工，其方式十分丰富，几乎涉及现代特种加工、微型精密切削加工等多种方式，微机械制造过程又往往是多种加工方法的组合。
从基本加工类型看，微细加工可大致分为四类：分离加工——将材料的某一部分分离出去的加工方式，如分解、蒸发、溅射、切削、破碎等；接合加工——同种或不同材料的附和加工或相互结合加工方式，如蒸镀、淀积、生长等；变形加工——使材料形状发生改变的加工方式，如塑性变形加工、流体变形加工等；材料处理或改性和热处理或表面改性等。
微细加工技术曾广泛用于大规模集成电路的加工制作，正是借助于微细加工技术才使得众多的微电子器件及相关技术和产业蓬勃兴起。
目前，微细加工技术已逐渐被赋予更广泛的内容和更高的要求，已在特种新型器件、电子零件和电子装置、机械零件和装置、表面分析、材料改性等方面发挥日益重要的作用，特别是微机械研究和制作方面，微细加工技术已成为必不可少的基本环节。
微细加工技术ppt课件
激光加工机理—热效应
2019/11/11
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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。
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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)
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(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
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利用电子束热效应加工
2019/11/11
1-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 11
电子束加工特点及其应用
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。
微细加工技 术
2019/11/11
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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。
2019/11/11
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二、微细加工出现的历史背景
• 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 ）
微细加工技术概述及其应用
2011 年春季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目:微细超精密机械加工技术原理及系统设计学生所在院（系）:机电工程学院学生所在学科:机械设计及理论学生姓名:杨嘉学号:10S008214学生类别:学术型考核结果阅卷人微细加工技术概述及其应用摘要微细加工原指加工尺度约在微米级范围的加工方法，现代微细加工技术已经不仅仅局限于纯机械加工方面，电、磁、声等多种手段已经被广泛应用于微细加工，从微细加工的发展来看，美国和德国在世界处于领先的地位，日本发展最快，中国有很大差距。
本文从用电火花加工方法加工微凹坑和用微铣削方法加工微小零件两方面描述了微细加工技术的实际应用。
关键词：微细加工；电火花；微铣削1微细加工技术简介及国内外研究成果1.1微细加工技术的概念微细加工原指加工尺度约在微米级范围的加工方法。
在微机械研究领域中，从尺寸角度，微机械可分为1mm~10mm的微小机械，1μm~1mm的微机械，1nm~1μm的纳米机械，微细加工则是微米级精细加工、亚微米级微细加工、纳米级微细加工的通称。
广义上的微细加工，其方式十分丰富，几乎涉及现代特种加工、微型精密切削加工等多种方式，微机械制造过程又往往是多种加工方法的组合。
从基本加工类型看，微细加工可大致分为四类：分离加工——将材料的某一部分分离出去的加工方式，如分解、蒸发、溅射、切削、破碎等；接合加工——同种或不同材料的附和加工或相互结合加工方式，如蒸镀、淀积、生长等；变形加工——使材料形状发生改变的加工方式，如塑性变形加工、流体变形加工等；材料处理或改性和热处理或表面改性等。
微细加工技术曾广泛用于大规模集成电路的加工制作，正是借助于微细加工技术才使得众多的微电子器件及相关技术和产业蓬勃兴起。
目前，微细加工技术已逐渐被赋予更广泛的内容和更高的要求，已在特种新型器件、电子零件和电子装置、机械零件和装置、表面分析、材料改性等方面发挥日益重要的作用，特别是微机械研究和制作方面，微细加工技术已成为必不可少的基本环节。
10-微细加工技术精密成型技术PPT模板
加工方法的多样化
提高微细加工的经 济性
向微型化、高精度、 高集成化的方向发展
加快微细加工的机 理研究
微细加工实用化的一个重要条件就是要 求加工周期较短且经济上可行。
加快微细加工机理的研究，建立微 观世界的数学模型、力学模型和分 析方法，奠定微型机械的基础理论， 对微型机械的设计和制造加工工艺 的制定有很大的实际意义。
气相方法制膜：包括化学气相淀积CVD（如热 CVD、光CVD以及等离子CVD）和物理气相淀积 PVD（如真空蒸发、溅射镀膜、离子镀膜、分子束 外延、离子注入成膜等）。
液相方法制膜：包括化学镀、电镀、浸喷涂等。
其他方法制膜：包括喷涂、涂覆、压延、印刷、 挤出等。
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1.2 微细加工技术的加工工艺
先进制造技术
1.1 微型机械及其特征
1．微型机械的基本概念
微型机械（Micro Mechanical）又称微 电子机械系统（Micro Electro-Mechanical System，MEMS）或微机械（日本通用名称） 或微系统（欧洲通用名称），是集微型机构、 微传感器、微能源、微制动器、微执行器、信 号处理、智能控制于一体的机电装置。微小的 几何尺寸或操作尺寸、高度集成化、智能化是 MEMS的显著特征。
键合技术：包括硅-硅直接键合和静电键合两种。 硅-硅直接键合是将两个经过磨抛的平坦硅面在高温 下依靠原子的力量直接键合在一起形成一个整体；静 电键合主要是硅与玻璃之间的键合，在400 ℃的温 度下，将硅与玻璃之间加上电压产生静电引力而使两 者结合成一体。
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1.2 微细加工技术的加工工艺
7．原子装配技术
1.2 微细加工技术的加工工艺
2．LIGA技术
LIGA是Lithographie（制版术）， Galvanoformung（电铸成型）和 Abformung（微注塑）三个德文单词的 缩写。LIGA技术被公认为是一种全新的 三维立体微细加工技术。LIGA技术的工 艺过程如图4-2所示，可分为深层同步 辐射X射线光刻、电铸成型和注塑三步
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。
表面微细加工技术
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。
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。
第12章 表面微细加工技术-用
50 μm 图4-3 X射线刻蚀的三维实体
LIGA技术采用深度X射线光刻、微电铸成型和塑料铸模等技 术相结合的一种综合性加工技术，它是进行三维立体微细加 工最有前途的方法之一，同时也是制作非硅材料微机电系统 的首选工艺。 利用LIGA技术制作微金属图形主要由两步关键工艺组成， 即首先利用同步辐射X射线光刻技术光刻出所要求的图形， 然后利用电铸方法制作出与光刻胶图形相反的金属模具，再 利用微塑铸制备微结构，具体的工艺步骤如图所示。
尺寸在微米级范围内的加工方式，曾广泛应用于大规模集成 电路的加工制作并由此涉及更广泛的领域。
在微机械研究领域中，微细加工技术已经成为其前沿关键技
术之一，它是微米级、亚微米级微细加工的通称。
微细加工具备精密和超精密加工的特征。广义上的微细加工 ，其方式十分丰富，几乎涉及了各种现代特种加工、高能束 加工方式。 从基本加工类型看，微细加工可大致分为四类：
显影就是用显影液溶解掉 不需要的光刻胶，将光刻 掩模板上的图形转移到光 刻胶上。显影液的选择原 则是：对需要去除的那部 分光刻胶膜溶解的快，溶 解度大；对需要保留的那 部分光刻胶膜溶解度极小。
坚膜也是一个热处理步骤。 坚膜的目的就是使残留的 光刻胶溶剂全部挥发，提 高光刻胶与衬底之间的粘 附性以及光刻胶的抗腐蚀 能力。
12.1.1光刻
根据曝光时所用辐照源波长的不同，光刻可以分为
− − − − 光学光刻法 电子束光刻法（主要用于掩模的制造） 离子束光刻法 X射线光刻法
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基本原理
(a)涂胶(b)曝光(c)显影、烘片(d)蚀刻(e)剥膜
第一阶段为原版制作，生成工作原版或工作掩膜，为光刻时 的模板；第二阶段为光刻。 光刻加工的主要过程: (1) 涂胶
来，称为显影；显影后进行200～250℃的高温处理，以提高光 致抗蚀剂的强度，称为烘片。
材料表面微细加工技术论文
材料表面微细加工技术综述摘要: 详细阐述了微加工工艺以及近几年内国际上开发的一些新的加工技术，如电化学微加工，微细电火花加工，电解加工等,重点提及微细电火花加工技术，并提出了目前这些方法中存在的缺陷及解决方法。
关键词微细加工技术; 微细电火花加工Abstract: Silicon micro-processing technology and other micro-processing technologies developed in recent years, such as micro-chemical micromachining,micro-EDM, electro-machining and so on, and main describe the technology of micro-EDM,Finally some disadvantages about those technologies were put forward. Key words: micro-processing technology, micro-EDM.1.引言以集成电路为代表的，建立在硅平面工艺基础上的微电子技术的巨大成功引发了一场微小型化科技革命。
如今起源于20世纪80年代末期，建立在微电子技术基础上，把传感器、处理器和驱动器等集成在一个芯片上的微机电系统（MEMS: micro electro-mechanical systems）被视为微电子革命的继续而日益受到各等发达国家政府和科学家的高度重视,已经成为当今国际高技术竞争的热点。
随着微机电系统的发展，微型制造技术作为实现MEMS技术的关键也开始引起世界发达国家的材料科学工作者和工业界的极大关注。
要想加工出精密的微机电器件, 必须要具备相应微细加工技术。
微细加工技术是MEMS技术的核心技术，是MEMS技术的关键和基础,也是MEMS技术研究中最活跃的领域。
细微加工技术(精密加工)
2013-8-10
第3节 微细加工机理 二、材料缺陷分布对其破坏方式的影响 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 会偏离正常结点位臵, 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)。
2013-8-10
第3节 微细加工机理 二、材料缺陷分布对其破坏方式的影响
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。
2013-8-10
第3节 微细加工机理 二、材料缺陷分布对其破坏方式的影响 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。
结合加工
2013-8-10
变形加工
加工方法
压力加工 铸造(精铸、压铸)
可加工材料
金属 金属、非金属
应
用
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
2013-8-10
第4节 微细加工方法 二、微细加工的基础技术 1.电子束加工
电子束加工 （electron beam machining， 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。
去除加工 （又称为分离加工， 是从工件上去除多余 的材料 ）
《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。
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。
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12.1.5 电解微细加工
• 电解微细加工是指在电解液中，利用阳极 金属的电化学溶解原理来去除材料的制造 技术。 • 电解加工时，阳极金属材料是以离子状态 被溶解掉，通过控制电流的大小和电流通 过时间，来控制工件的去除速度和去除量， 从而得到高精度、微小尺寸的零件。
12.1.6 超声波微细加工
• 超声波微细加工是通过工具端面作超声频 率的振动，利用磨料悬浮液加工硬脆材料 的一种方法。
• 6、腐蚀 • 对坚膜后的薄膜进行腐蚀处理。由于在SiO2 层上方留下的胶膜具有抗腐蚀性能，所以腐 蚀时只是将没有光刻胶膜保护的SiO2薄膜部 分腐蚀掉，而光刻胶及其覆盖的SiO2薄膜部 分则被完好地保存下来。腐蚀液腐蚀和等离 子体腐蚀。 • 7、去胶 • 腐蚀完成后，将留在SiO2薄膜上的胶膜去掉。 去胶方法主要有：溶剂去胶、氧化去胶和等 离子去胶。
• 3、离子束微细加工 • 电子束微细加工是利用离子源中产生的离 子，引出并进行加速和聚焦，形成高能量 的聚焦离子束，向真空室中的工件表面轰 击来实现微细加工。 • 离子束加工主要是利用离子束轰击材料时 的动量传递实现对材料的溅射刻蚀。
12.1.4 微细电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ花加工
• 微细电火花加工是将工具电极和工件浸泡 在绝缘的工作液中，利用工具电极和工件 间脉冲火花放电产生的瞬间、局部高温使 金属局部蒸发而被蚀除的一种加工技术。
• 4、显影 • 将曝光后的Si片在显影液中浸泡数十秒，则 负性光刻胶的未感光部分将被溶解，从而 使掩模上的图形被完整地复制到光刻胶上。 显影后一般应检测图形是否套准，是否符 合质量要求。
• 5、坚膜 • 显影完并经清洗后，对有光刻胶膜图像的Si 片再次烘烤，称为坚膜。此过程是为了排 除光刻胶膜中残留的显影液和水分，使胶 膜硬化并使其与SiO2膜有更好的黏附性， 并提高胶膜的耐刻蚀能力。坚膜一般是在 180~200摄氏度的温度下烘烤大约30min左 右。
12.1.3 高能束微细加工
• 高能束微细加工是利用能量密度很高的激 光束、电子束或离子束等去除工件材料的 加工方法的总称。
• 1、激光束微细加工 • 1）激光束加工类型 • 根据光与物质相互作用的机理，激光加工 大致可以分为热效应加工和光化学反应加 工两大类。 • 激光热效应加工是指用高功率密度的激光 束照射到金属或非金属材料上，使其产生 基于快速热效应的各种加工过程。 • 光化学反应加工主要指高功率密度的激光 与物质发生作用时，可诱发或控制物质的 化学反应来完成各种加工过程，又称为激 光冷加工。
• 1）深度同步辐射X射线光刻 • 2）电铸成形：电铸成形是根据电镀原理， 在胎膜上沉积相当厚度的金属以形成零件 的方法。胎膜作为阴极，要电铸的金属作 为阳极。 • 3）注塑成形：注塑则是利用电铸得到的金 属微结构作为二级模板，在模板中注入塑 性材料，便可得到塑性微结构件。反复进 行电铸和注塑，即可加工出形状一致的多 种多样的微结构件，并可进行批量生产。
• 2）准分子激光 • 准分子激光是指由惰性气体原子与化学性 质活泼的卤素原子混合后放电激发出高功 率的紫外光，其波长范围在157~351nm， 约为YAG激光波长的1/5和CO2激光波长的 1/50，其单光子的能量高达7.9eV，比大部 分分子的化学键能都高，故能直接深入材 料分子内部进行加工，其加工机理不同于 普通的激光。
• 3）离子束曝光技术：离子的质量比电子大， 在光刻胶和基片中的散射小，所以离子束 曝光的分辨率比电子束曝光高。 • 4）X射线曝光：X射线曝光光源的波长为 0.1~1.4nm，比紫外光短2~3个数量级，用 作曝光源时可提高光刻图形的分辨率，可 以刻出0.02微米的细微线条。
12.1.2 LIGA微细加工技术
• 1）涂胶 • 将清洁处理过的Si片放在一个高速旋转的平 台上，在Si片中心滴一滴光刻胶，由于离心 力和胶表面张力的同时作用，在SiO2膜表 面形成一层厚度均匀的胶层。 • 光刻胶是一种对光敏感的高分子有机化合 物，由光敏化合物、树脂和有机溶剂组成。
• 2、前烘 • 将涂好胶的Si片在70摄氏度左右的温度下 烘烤10min，使光刻胶中的溶剂缓慢而充分 地挥发掉，保持光刻胶干燥。常用红外线 加热或热板前烘烤方法。 • 3、曝光 • 将掩模覆盖在光刻胶层上，或将掩模置于 光源与光刻胶之间，用紫外光等透过掩模 对光刻胶进行选择性照射。光刻胶受到照 射的部分就发生了光化学反应，从而改变 了这部分光刻胶的性质。曝光时，准确的 定位和严格控制曝光强度与时间是影响光 刻精度的关键因素。
• 3、超细线条曝光技术 • 1）远紫外光曝光技术：远紫外光的波长为 200~300nm，与常规光刻曝光工艺中采用的 400nm左右的紫外光相比，光的波长缩短一 半左右，因此，可以获得更高分辨率的光刻 线条。 • 2）电子束曝光技术：电子束曝光是利用电 子束在涂有光刻胶的晶片上直接描画或投影 复印图形的技术。电子束曝光系统的加速电 压通常在10~50kV之间，其相应的电子束波 长范围为0.005~0.01nm。如此短的波长就克 服了衍射效应的限制，从而使电子束曝光具 有极高的分辨率，其极限分辨率可达3~8nm。
• LIGA能在微米级制造平面尺寸，高宽比大 于200的三维微形立体结构件；而且加工的 材料比较广泛，可以是金属、陶瓷和塑料 等材料，尤其适合进行高重复精度的大批 量生产。
• 1、LIGA的工艺过程 • LIGA是德文的光刻照相（Lithographie）、电 铸（Galvanoformng）、模铸（Abformung） 三个词语的缩写，依次表示了该工艺的三个加 工过程：深度同步辐射X射线光刻、电铸成形 和注塑成形。
12.1.1 光刻加工
• 1、光刻加工原理 • 光刻是集成电路制作工艺中的关键技术，它 是将图像复印与化学腐蚀相结合的表面微细 加工技术。 • 其原理和印刷的照相制版相似，即在硅等基 体材料上涂覆光刻胶，接着利用分辨率极高 的能量束来通过掩模对光刻胶层进行曝光。 经显影后，在光刻胶层上获得了和掩模图像 相同的极微细的几何图形，再利用刻蚀等方 法在工件材料上制造出微型结构。
第十二章 表面微细加工技术
12.1 常用微细加工技术简介
• 微细加工是一种加工尺寸从微米到纳米量 级的制造微小尺寸元器件或薄膜图形的先 进制造技术。
• 根据加工机理不同，可以将微细加工技术 分为三类： • 1）分离加工：将材料的某一部分分离出去 的加工方式； • 2）结合加工：指同种或不同种材料的附加 或相互结合的加工方式； • 3）变形加工：使材料形状发生变化的加工 方式。
• 3）飞秒激光微加工 • 飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，具 有超快、超强和高聚焦能力三大特点。其持 续时间可短至4飞秒（1fs=10-15s）以内，峰 值功率高达帕瓦量级（1PW=1015W），聚 焦功率密度达到1020~1022W/cm2。
• 2、电子束微细加工 • 电子束微细加工有热型和非热型两种。 • 热型加工是利用电子束将材料的局部加热 至熔化或气化点进行加工； • 非热型加工是利用电子束的化学效应进行 刻蚀、大面积剥层等微细加工。
• 光刻胶又称光致抗蚀剂或感光胶，是一类 经光照后能发生交联、分解或聚合等光化 学反应的高分子溶液。 • 掩模是一块印有所需加工图形的透光玻璃 底版，可通过电子束曝光法将计算机设计 的图形转换到掩模上。
• 2、光刻加工工艺 • 集成电路是将互相连接的电路元件按规定 的位置制作在半导体基片上。集成电路芯 片的制作过程精细而复杂，需要经过外延、 沉积、氧化、扩散、离子注入等工艺制造 出十分精细复杂的多层立体结构。 • 光刻工艺基本过程：涂胶→前烘→曝光→ 显影→坚膜→腐蚀→去胶