微细加工技术
细微加工技术(精密加工)
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 3.面缺陷 面缺陷是指二维尺度很大而第三维尺度很小 的缺陷。
金属晶体中的面缺陷主要有晶界和亚晶界两种。 晶界和亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多, 晶粒越细, 金属的塑性变形能力越大, 塑性越 好。
2013-8-10
晶界
实际金属为多晶体, 是由大量 外形不规则的小晶体即晶粒组成 的。每个晶粒基本上可视为单晶 体.一般尺寸为10-5～10-4m, 但 也有大至几个或十几个毫米的。 所有晶粒的结构完全相同, 但彼 此之间的位向不同, 位向差为几 十分、几度或几十度。
1.精密机械仪器仪表零件的微细加工
2.电子设备微型化和集成化的需求
微细加工是电子设备微型化和集成化的关键技术之一。 3.集成电路的制作技术 集成电路是电子设备微型化和集成化中的重要元件。 微细加工技术的出现和发展与集成电路密切相关。
2013-8-10
第2节 微细加工的概念及其特点 一、微细加工的概念 微细加工技术：广义上包含各种传统精密加 工方法和与传统精密加工方法完全不同的新方 法；狭义上，半导体集成电路制造技术。
磨料加工 （传统加工）
特种加工 （非传统加工）
复合加工 2013-8-10
结合加工
分 类 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 金属 金属 金属、非金属
电子半径2.8*10-12mm；质量9*10-29g； 能量几百万电子伏；可聚焦到直径11-发射阴极 2-控制栅极 3-加速 2µ m；能量密度可达109W/cm2。 阳极 4-聚焦系统 5-电子束斑点
微细加工工艺方法
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微细加工方法
1.微细车削加工 2.微细铣削加工 3.微细钻削加工 4.微细冲压加工
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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1、微细切削加工技术 2、微细电火花加工技术 3、微细电化学加工技术 4、高能束流微细特种加工技术（包 括微细 激光加 工技术 、电子 束加工 技术、 离子束 加工技 术） 5、LIGA技术 6、生长型微细加工技术
微细特种加工分类
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电火花加工的零件
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微型机械
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祝大家假期愉快！
Thanks
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微细加工和超微细加工以分离或结合原 子、分 子为加 工对象 ，以电 子束、 技工束 、粒子 束为加 工基础 ，采用 沉积、 刻蚀、 溅射、 蒸镀等 手段进 行各种 处。
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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 取出的 一块材 料的大 小来表 示，从 而引入 加工单 位尺寸 的概念 。 2、微观机理
以切削加工为例，从工件的角度来讲， 一般加 工和微 细加工 的最大 区别是 切屑的 大小。 一般为 金属材 料是由 微细的 晶粒组 成，晶 粒直径 为数微 米到数 百微米 。一般 加工时, 吃刀量 较大， 可以忽 略晶粒 的大小 ，而作 为一个 连续体 来看待 ，因此 可见一 般加工 和微细 加工的 机理是 不同的 。 3、加工特征
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。
微细加工技术的研究与应用
微细加工技术的研究与应用随着科技的不断进步和工业的迅速发展，微细加工技术越来越受到人们的关注。
微细加工技术是指针对微细零件、组件和器件进行高精度加工、制造和装配的一种新型技术。
这种技术在汽车、电子、航空、医疗等领域有着广泛的应用前景。
一、微细加工技术的研究1.背景微细加工技术从20世纪90年代初期开始发展，主要是为满足电子器件和微机电系统（MEMS）制造的需要。
在此基础上，微细加工技术不断得到完善和升级，为其他领域的制造和加工提供了思路和方法。
2.研究内容微细加工技术的研究主要包括以下方面：（1）微细机械制造技术；（2）微细电子制造技术；（3）微细光学制造技术；（4）微细生物制造技术。
其中，微细机械制造技术是应用最为广泛的一项技术，主要针对微型零部件、机械组件和器件等进行加工和制造。
3.研究难点微细加工技术的研究面临着许多难点，其中最主要的难点是如何实现高精度加工。
微细零部件的尺寸通常都在数微米至数百微米之间，而传统加工技术所能达到的精度却远远不够。
因此，如何在微小尺度下进行高精度加工，是微细加工技术研究的核心问题。
二、微细加工技术的应用1.汽车制造领域汽车制造领域是微细加工技术应用的主要领域之一。
在汽车制造中，许多零部件的尺寸都很小，而且对加工精度要求很高。
例如，发动机的火花塞、气门、燃油喷嘴等部件；车身的紧固件、密封件和缝合件等，都需要采用微细加工技术进行加工和制造。
2.电子制造领域电子制造领域也是微细加工技术应用的重要领域之一。
在电子制造中，许多IC芯片、闪存和存储器等器件的结构都非常微小，需要采用微细加工技术进行精密加工和制造。
同时，电子制造领域还需要采用微细加工技术进行导电薄膜的制造、微型电极的加工等工作。
3.医疗领域医疗领域也是微细加工技术应用的一个新兴领域。
在医疗领域中，微细加工技术可以用于制造微型手术器械、医用传感器、微型分析芯片等器件，从而为医疗诊断和治疗提供了新的手段和方法。
微细加工
1.精度表示方法
一般加工，其精度用误差尺寸与加工尺寸比值表示；微细加工，其精度用误 差尺寸绝对值表示。
在微细加工时，由于加工尺寸很小，引入了加工单位尺寸的概念。加工单位 尺寸简称加工单位，它表示去除材料的大小。例如，原子加工单位表示能去除一 个原子。显然，加工单位越小，可获得的精度就越高。
第三章 现代制造工程加工技术
SPM探针
介质中的分子 电化学作用区
偏置电压
电致刻蚀原理
第三章 现代制造工程加工技术
到目前为止，利用电脉 冲诱导氧化方法，已经在多 种半导体和金属（如Si，Cr， Nb，GaAs，Au和Ti等）表 面上，制备了所需的纳米结 构或器件。中国科学院分子 结构与纳米技术重点实验室 在氢钝化的p型Si（111）表 面上，利用此法刻蚀出了图 案清晰的中国科学院院徽。
第三章 现代制造工程加工技术
②微细加工刀具 微细切削加工一般采用单晶金刚石刀具。
各种单晶金刚石刀具
单晶金刚石铣刀刃形
第三章 现代制造工程加工技术
2. 微细车削加工
日本通产省工业技术院机械工程实验室（MEL）于1996年开发了世界上第 一台微型化的机床——微型车床。
世界第一台微细车床
车削轴的直径： 0.02mm
高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。
低热变形结构设计。
刀具的稳固夹持和高的安装精度。
高的主轴转速及动平衡。
稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。
具有刀具破损检测的监控系统。
第三章 现代制造工程加工技术
C轴回转工作台 刀具 空气涡轮主轴 B轴回转工作台 X导轨 C 工件 Z导轨
B
空气油减振器
移动 完成
提取
放置
精密制造中微细加工技术研究
精密制造中微细加工技术研究近年来，随着科学技术的快速发展，精密制造行业也迎来了快速的发展。
微细加工技术就是其中一个重要的研究领域，具有广泛的应用前景和潜力。
本文将对精密制造中微细加工技术的研究进展进行探讨。
一、微细加工技术的概念微细加工技术是指对工件进行微米级别的加工或制造的技术。
它基于微观尺度下的材料物理学和加工理论，使用精密的加工设备对材料进行微弱的处理，使其得到精确的结构和性能。
微细加工技术的主要应用领域是微电子、光学、生物医学等高科技领域。
比如微电子领域的芯片加工、光刻和光刻补偿；生物医学领域的人体组织样本制备和高分辨率成像等。
二、微细加工技术的分类微细加工技术可以根据加工方法和过程参数的不同进行分类。
主要分为机械加工、电化学加工、激光加工、等离子体加工和光电子束加工等。
1、机械加工机械加工是指使用刀具对工件上的材料进行切削、精加工、磨削等处理。
它包括车床加工、数控机床加工、线切割等。
机械加工的优点是加工速度快、成本低，但难以达到亚微米级别的精度。
2、电化学加工电化学加工是指使用电化学反应进行加工的一种技术。
它包括电解加工、电化学抛光和电化学蚀刻等。
其中，电化学蚀刻技术是最常用的电化学加工技术之一，它对高硬度材料和形状复杂工件具有良好的加工效果。
3、激光加工激光加工是指使用高能量激光对工件进行加热、熔化和蒸发等处理。
它包括激光切割、激光打孔、激光焊接等。
激光加工的优点是能够实现高速度、高精度和高质量的加工，但过程中容易产生热应力和材料变形。
4、等离子体加工等离子体加工是指通过等离子体弧放电加工材料的技术。
它包括等离子体切割、等离子体熔覆和等离子体表面处理等。
等离子体加工的优点是可加工高硬度和高熔点材料，并能够实现高质量的加工表面。
5、光电子束加工光电子束加工是指使用电子束或质子束对工件进行加工的一种技术。
它包括电子束切割、电子束焊接和电子束表面处理等。
光电子束加工的优点是能够实现高精度和高质量的加工，并可以加工高硬度和高熔点材料。
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
微细加工综述
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微细加工技术综述
1.3.3 微细线切割加工：
微细电火花线切割加工的基本原理是利用移动的 微细金属导线作电极, 对工件进行脉冲火花放电、切割 成形。 微细电火花线切割几乎可加工具有任何硬度的导 电金属材料, 且加工过程中不受宏观力的作用, 从而可 保证较好的加工精度与表面质量。广泛应用于微小齿 轮、微小花键、微小异形孔、以及半导体模具、钟表 模具等具有复杂形状的微小零件的加工。 台湾的Yunn - Shiuan Liao等开发了桌面式高精度多 功能微细电火花线切割机床, 用来加工复杂的三维微零 件。机床能够达到1μm的尺寸精度和Rmax=0.64μm的表 面粗糙度。
1986年原苏联基辅工学院用工业激光器在硬质合 金毛坯上打中心孔，孔径为0.6一1.omm，深度为 6mm； 英 国 学 者 Mark Heaten 采 用 受 激 准 分 子 激 光 在 PMMA 材料上加工出微小涡轮盘, 叶片数为31 。
激光束微细加工发展现状
2001年，德国学者Peter Heyl 研制了用于加工三维 结构的高精度激光加工机, 研究了陶瓷和硬金属的激 光加工工艺, 在WC/Co 材料上加工出微三维结构。平 均表面粗糙度达到Ra =0.16μm, 最大表面粗粗度可达 Rz=0.7μm, 所加工工件的表面粗糙度达到了高精度电 火花铣削的表面粗糙度。 瑞士某公司利用固体激光器给飞机涡轮叶片进行打 孔，可以加工直径从20腼到80腼的微孔，并且其直径 与深度之比可达1:80； 日本在厚1mm的氮化硅板上打出孔径0.Zmm的孔， 在0.05mm的陶瓷薄膜上加工出孔径 0.02mm的孔，而 在钦、白金、钨、钥等难以加工的材料上也进行了 有效的激光加工。
二、高能束流微细特种加工技术
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。
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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。
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
微细加工技术的发展与应用
微细加工技术的发展与应用随着科技的不断发展，微细加工技术成为现代工业中不可或缺的一部分。
微细加工技术是指对微小物体进行加工的技术，通常用于制造那些需要高精度或者微小尺寸的零件、设备和器件。
微细加工技术的应用范围非常广泛，包括微型机器人、光学器件、医疗器械、生物传感器等领域。
本文将探讨微细加工技术的发展历程、应用和未来发展趋势。
一、微细加工技术的发展历程微细加工技术源远流长。
在过去的几百年间，人们使用了各种手工工具和机械设备进行微细加工。
例如，19世纪英国人约瑟夫·温斯洛在1822年发明了摆线拖动齿轮切削机，实现了金属齿轮的精细加工。
这一技术被广泛应用于英国的纺织工业，并为工业革命的发展做出了贡献。
20世纪初，随着电气工程和电子学的发展，半导体器件的出现推动了微细加工技术的发展。
1947年，贝尔实验室的威廉·肖克利发明了第一个晶体管，奠定了现代电子工业的基础。
从此以后，微细加工技术得到了巨大的发展，出现了各种各样的微细加工工具和设备。
例如，扫描电子显微镜可以对微小物体进行高分辨率成像和表征，电子束光刻机可以用来制造半导体芯片、具有纳米尺度精度的纳米定位台可以用来进行精细的纳米加工等等。
二、微细加工技术的应用微细加工技术已经广泛应用于多个领域。
以下是一些例子：1. 光学器件光学器件包括激光器、光开关、波导器、光电探测器等。
微细加工技术可以提供高精度和可重复加工，适用于制造这些器件的需求。
例如，电子束光刻机已经被广泛应用于制造半导体激光器和光子晶体器件。
2. 医学器械微细加工技术可以用于制造医学器械，例如微型手术器械和医用传感器。
这些器械需要高精度和微小尺寸，以减少对患者的创伤和疼痛。
微细加工技术可以提供这些要求。
3. 生物传感器生物传感器利用生物体内的化学反应或者生物特性来检测生物分子和细胞。
微细加工技术可以用于制造这些传感器。
例如，电子束光刻机可以用来制造生物芯片，这些芯片可以用于生命科学研究和医学诊断。
细微加工技术(精密加工) 68页PPT文档
第2节 微细加工的概念及其特点
二、微细加工的特点
1.微细加工和超微细加工是一个多学科的制造系统工 程； 2.微细加工和超微细加工是一门多学科的综合高新技 术；
加工方法包括分离、结合、变形三大类。采用传统和非传统加工工艺。
3.平面工艺是微细加工的工艺基础；
平面工艺是制作半导体基片、电子元件和电子线路及其连线、封装等一整套 制造工艺技术，现在正在发展立体工艺技术，如光刻-电铸-模铸复合成型技 术。
位错线 滑移方向
2019/8/7
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
螺型位错
晶体右边的上部点相对于 下部的距点向后错动一个原 子间距，即右边上部相对于 下部晶面发生错动。若将错 动区的原子用线连接起来， 则具有螺旋型特征。这种线 缺陷称螺型位错。
位错线 滑移方向
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2)极小尺度、极大尺度和极端功能。
微细加工技术是指制造微小尺寸零件的加工技术。指 1mm以下的微细尺寸零件，加工精度为0.01-0.001mm。
微细加工属于精密加工范畴。
超 微 细 加 工 ： 1µm 以 下 超 微 细 尺 寸 零 件 ， 加 工 精 度 为 0.1-0.01µm。
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2.微观机理；
一般尺寸—吃刀量较大，忽视晶粒大小作为连续体看； 微细加工—吃刀量小于材料晶粒直径，晶粒看作不连续体。
3.加工特征。
一般尺寸—尺寸、形状、位置精度为加工特征； 微细加工—分离或结合原子、分子为加工对象，以电子束、离子束、激光束 三束加工为基础，采用沉积、刻蚀、溅射、蒸镀等手段进行。
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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
微细与超微细加工技术
溅射材料
溅射粒子
离子束溅射镀膜加工
◎离子镀氮化钛,即美观,又耐磨.应用在刀具上可提高寿命1-2 倍.
➢ 离子束溅射注入加工 ◎用高能离子〔数十万KeV〕轰击工件表面,离子打入工件 表层,其电荷被中和,并留在工件中〔置换原子或填隙原 子〕,从而改变工件材料和性质.
变形加 热表面流动 工(流动 粘滞性流动 加工) 摩擦流动
热流动加工（火焰，高频，热射线，激光） 压铸，挤压，喷射，浇注 微离子流动加工
二、微细机械加工
◆主要采用铣、钻和车 三种形式,可加工平面、 内腔、孔和外圆表面. ◆刀具：多用单晶金刚 石车刀、铣刀.铣刀的回 转 半 径 〔 可 小 到 5μm〕 靠刀尖相对于回转轴线 的偏移来得到.当刀具回 转时,刀具的切削刃形成 一个圆锥形的切削面.
单晶金刚石铣刀刀头形状
◆ 微细机械加工设备 ➢微小位移机构 ,微量移动应可小至几十个纳米 . ➢高灵敏的伺服进给系统.要求低摩擦的传动系统和导轨 支承系统,以及高跟踪精度的伺服系统. ➢高的定位精度和重复定位精度,高平稳性的进给运动. ➢低热变形结构设计. ➢刀具的稳固夹持和高的安装精度. ➢高的主轴转速及动平衡. ➢稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰. ➢具有刀具破损检测的监控系统.
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
电磁铁加励磁，夹紧
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
Δ
电磁铁2去掉励磁，松开
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
Δ
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
微细加工技术
•微机械设计 •微细加工技术
硅微细加工技术
微细电火花等特种精密加工
LIGA技术（X射线深度光刻与电铸结合） •微组装技术 •微系统测量技术
第二节 微细加工技术
一、制造技术微细加工的极限 纳米级加工：光子、电子、离子等基本能子加工 电子束光刻 离子束光刻 扫描隧道显微技术
二、微细加工的特点 1、精度的表示方法
用尺寸绝对值表示 2、微观机理
切削在晶粒内进行 3、加工特征
以分离和或结合原子、分子为加工对象 以电子束、离子束、激光束加工为基础 以沉积、刻蚀、溅射、蒸镀为处理手段
三、薄膜制备技术 ① 气相方法制膜：物理、化学气相沉积 ② 液相方法制膜：化学镀、电镀等 ③ 其他方法制膜
物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD） 利用某种物理过程，如物质的 热蒸发或受到粒子束轰击时物
（1）深层同步辐射X射线 光刻 涂光刻胶 X光曝光 显影
（2）电铸成形 微电铸 去光刻胶
（3）注塑
六、大规模集成电路制作技术
1、外延生长 在半导体晶片表面沿原来的晶向生长单晶层 方法：化学气相法 作用：腐蚀加工，制备各种形状
2、氧化 在半导体晶片表面生成氧化膜 方法：热氧化法 作用：绝缘保护层
第六章 微细加工技术
第一节 微机械概述 一、微细加工出现的背景 微机械（Micromachine) 微机电系统(Micro electro mechanical system, MEMS) 微小型机械：1~10mm 微机械：1m~1mm 纳米机械：1nm~ 1m
特点： 1. 体积小、精度高、重量轻 2. 性能稳定、可靠性高 3. 能耗低、灵敏性和工作效率高 4. 多功能和智能化 5. 适于大批量生产
微细加工技术8
应用 已制造出微米尺度的 微齿轮、微过滤器、 微红外滤波器、微加 速度传感器、微型涡 轮、光纤耦合器和光 谱仪等多种结构器件。
微细切削技术
机械切削加工，由于切削力的产生，一 般认为不适于微型机械的加工制作。但超精 密加工已成功地制作出尺寸在10-100μm的 微小三维构件。
微细车削
微细车削是加工微 小型回转类零件的有 效方法。日本通产省 工业技术院于1996年 研制开发了世界上第 一台微型车床，该车 长32mm、宽25mm、 高30.5mm，重量仅为 100g。
微细加工方法
1）硅微细加工 2）LIGA技术 3）微细切削技术：微细车削、铣削、微孔加工、 磨料加工 4）微细电加工：微细电火花加工 、微细电铸、微 细电解加工 5）微细高能束流加工：激光加工、电子束加工、 离子束加工
硅微细加工
1.硅的体微加工技术（bulk micromachining） 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。 2.硅的面微加工 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（CVD）等方法。典型的表面微加工方 法是牺牲层技术。
微细加工技术的发展趋势
• 1）加工材料的多样：微细
加工最早是从硅片的刻蚀开 始的。随着微机械应用范围 的扩大，微细加工的材料以 从单一的硅晶体扩展到了黄 铜、不锈钢等金属材料及其 他非金属材料。 • 2）产品结构复杂：随着材 料和加工工艺的日益发展， 加工从二维拓展到三维，运 动部件增多，使用功能增加。
3）以日本为代表的机械加工微细化
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微细加工技术09机一 09010129 王瑞一.微细加工技术现状1990年微细加工技术的生产水平是100μm到0·8μm。
到1994年,16M DRAM 64M DRAM已生产,254M DRAM也将投入生产。
16—64M DRAM用0·3μm ~ 0·4μm的微细加工技术。
256MDRAM用0·25μm的加工技术。
目前,实验室已做出1000M DRAM的产品。
也就是说,0·1μm~0·08m的微细加工技术,不久也将投入生产。
当前微细加工技术的动向是:一方面将生产16—64M DRAM的设备,进行改进,以提高生产率,另一方面是开发新工艺、新设备。
微细加工技术的关键是曝光技术和干蚀技术。
我们将以这两方面为重点,介绍微细加工技术的现状和发展动态。
1 16—64M DRAM生产技术的改进当前生产16M DRAM的设备,一般都能生产64M DRAM。
它们主要用缩小投影曝光装置,典型的有NSR—2005i10c,Ex10B,NSR4425i。
其主要参数,如表1所示。
缩小投影曝光装置的特点上述三种装置,都能生产14-64M DRAM器件,其中NSR-4425i能生产256M DRAM 器件,光刻水平达到0·25μm。
这三种设备,校正系统都经过改进,稳定性大大提高。
同时,对干涉反射镜曲线,进行补正。
干涉光路进行空调,使精度大大提高。
另外,对放大倍率也进行补偿和修正。
使误差控制在10 nm以下。
使用准分子激光器,使曝光功率下降,曝光成本下降。
NSR-4425i,是一种成本较低而性能优良的设备,由于它采用了混合和匹配平台,能生产16M、64M、256M DRAM器件。
场尺寸达44 mm×44mm,主流场为22 mm ×44 mm,生产256M DRAM器件,月产达2万只。
1.1印刷式曝光机1.1.1概要它是一种等倍率曝光机,采用混合和匹配平台,具有“印刷”功能,故而又称它为超技术步进机。
其突出优点是生产性高而成本低。
该类机中的优秀者是224i 型。
它使用i线作曝光光线,大口径光学系统,超高精度的平台,曝光光的波长为355~375nm。
每小时能生产200 mm片80枚。
150 mm片105枚。
1.1.2结构和特征该装置的最大特征是采用高性能的1×HerShel-Wynne-Dyson光学系数。
它采用两个消色透镜两个棱镜一个主透镜,构成光学系统,曝光场较大,故而生产率较高。
曝光时,片上得到的能量较大,故而曝光时间短,由于它采用混合式和匹配式的平板印刷方法,使生产线成本低而产量高。
1.2电子束直接扫描系统电子束直接扫描系统,也叫无掩膜曝光系统。
以前就有这种系统,但其产量低,未能推广,本文介绍的HL-800D电子束直接扫描系统可生产64MDRAM器件,并且产量也较高,成本较低。
1.2.1电子束直接扫描系统的优点电子束直接扫描系统的优点,如表3所示,从表3.看出,它有很多优点,主要是成本低,开发期短,适应性强特别适合科研单位和小批量生产用。
若是每日生产250枚片以下,用电子束直接扫描系统,生产成本较低,它比用掩膜曝光,成本低得多。
电子束直接扫描系统,虽然其电子束偏转范围有限(3 mm~5 mm),但其扫描面积可以“拼”。
这样,扫描面积就不受限制。
该设备,也可生产256MDRAM器件。
1.3.2HL —800D概况日立公司开发的HE—800D系统,其加工水平达0·2μm~0·3μm,1·50 mm,生产能力达10~20(枚/h),一次成型扫描法,是通过转写掩膜形成的,如图1所示,通过转写掩膜可一次形成较为复杂的图形或使扫描线更精度。
通过使用补偿法并运用转写掩膜,或可以提高扫描速度,或可以提高扫描线的精细程度,但其代价是失去了无掩膜的优点(有转写膜)。
用转写掩膜,该装置可达到0·05μm的直线尺寸,精度可达到0·15μm,甚至有人说,这类设备将来可生产1GDRAM器件。
1.3干蚀技术在微细加工中,尤其是达到0·25μm水平的精细加工中,干蚀技术就显得很重要,现在微细加工对干蚀的要求如下:a)片面积大,均匀性要好;b)无机械损伤;c)有高的选择比;d)高的纵深比;e)离子控制性要好;f)处理速度快。
要达到上述六项要求,用以前的腐蚀方法是不行的,新开发的ECR*,能很好的满足上述要求。
ECR的特点:等离子密度大,电子动能大,干蚀质量高,速度快。
搭载有ECR的干蚀装置APEX7000/PINADE8000具有极好的干蚀性能:1)对氧化膜的干蚀,选择比达到50~100而且尺寸误差极小。
2)对铝(Al)加工:选择比达到3以上,并能完全防止腐蚀。
以上设备腐蚀的结果,如图2所示。
从图2看出:这种装置的干蚀效果,是极好的。
TiN/Al-Si-Cu/TiN/Tiの的蚀刻实例(蚀刻速度:0·755nm/min,均一性±3·8%,选择比相对P·R3·9)电子束激励的等离子发生装置,是另一种较好的干蚀装置。
它是电子和电场作用,来产生高密度的等离子装置,其特点是:1)电子能量分布,加速均可控制;2)采用差动排气方式,氧、氯等还原气体从侧面导入,故而阴极寿命长。
3)能产生高密度的等离子。
这种装置的原理图,如图3所示。
图中的反磁场线圈,生产尖峰磁场。
在片子附近,产生磁场扩散区。
由等离子室射入的电子束,沿磁力线迅速扩散,形成均匀的等离子区(可形成200 mm以上的等离子注)。
等离子室中间的永磁体,使电子分散,多极磁场,使电子和离子复合率降低。
该装置的干蚀性能较好,均匀性高,腐蚀速度快。
它对光刻胶的腐蚀,选择比大于40。
对氧化膜的选择比大于150。
对GaAs的腐蚀速度快,均匀性也好,选择比高,并有保角性。
另外,最近还出现了多通道干蚀装置。
这类装置是一种投资少、效益高的干蚀装置。
这类装置,也是干蚀装置发展的一个重要方面。
二.微细加工技术发展研究微细加工技术是集成电路(lC)工业的基础，是半导体器件研究的必要手段。
其中的lC以动态随机存储器(ORAM)为代表，具有肉眼无法看见的记忆功能结构，而半导体器件以小尺寸器件为主。
为了制备大规模集成电路(VL引)、超大规模集成电路(ULSI)和量子器件，微细加工技术正由微米、亚微米、亚半微米一直向纳米级和量子化方向发展。
除了lC技术外，液晶显示器(LCO)技术、微机械技术和光电子技术的发展同样离不开微细加工技术水平的提高。
人们越来越感到以微细加工技术为支柱的微电子技术正在成为一个国家综合国力的重要体现，成为国际竞争的焦点。
因此许多发达国家目前都加大了在微细加工技术研究方面的投资强度，以期取得微细加工技术领域的领先地位。
微细加工技术包括曝光技术(即光刻技术)、刻蚀技术、浅结掺杂技术、超薄膜形成技术等。
其中的曝光技术是微细加工技术的核心。
2.1国外微细加工技术在Ic方面的成就国外微细加工技术在IC工业方面取得了很大的成就。
表1是ORAM发展所要求达到的光刻技术水平和近年来ORAM的发展趋势。
需要特别提到的是，1991年，日本日立公司研制成功64MORAM，其加工线宽为0.3微米，芯片面积为9.74X20.28平方毫米，集成度为1.21火1护个元器件;1992年，日本富士通公司推出256MORAM，加工线宽为0.2微米，芯片面积为16火25平方毫米，集成度为5.6x1了个元器件。
由表5不难看到，国外在微细加工技术研究方面取得的进展是很快的，以致于每隔几年就能推出一代产品。
以下是生产256MORAM所需达到的微细加工技术水平:光刻0.25微米(套刻精度士0.08微米，线宽控制0.04微米)，无机且能真空处理的全干刻蚀剂技术，0.1微米以下浅结技术，低温工艺仁平坦化，全干法加工、刻蚀、清洗，CVO铝和铜金属化，全自动化。
2.2国外微细加工技术在半导体器件研究方面的成就国外微细加工技术在半导体器件研究方面也取得了很大的成就。
1993年，日本东芝公司的研究开发中心研制成功门长度仅为0.04微米的n沟道MOSFE丁，并且可在室温下工作。
德仪(TI)公司在工993年也研制成功晶体管特征尺寸为0.02微米的集成电路，在该特征尺寸下，电子已经停止了粒子活动，开始转化为类似波的活动。
目煎国外研制的日EM下器件的最小栅长仅为25纳米。
另外，国外也利用高水平的微细加工技术制作出了与电子相干长度相当的纳米结构(包括量子线、量子点阵、量子点接触等)，并对其物理过程进行了广泛的研究，提出了电子波器件的可能性。
美国《物理评论》杂志指出，以量子效应为基础的电子波器件有可能成为ULsl技术的基础，并将导致未来电子学发展的一场新革命。
国外在lC工业和半导体器件研究方面所取得的成就无一不得益于微细加工技术的发展。
可以说，国外的微细加工技术正在朝着物理加工极限发展。
三.光刻技术的发展光刻技术是微细加工技术的核心。
考核光刻技术的质量指标主要有分辨率、焦深、生产效率等。
对于未来可能应用于IC工业的光刻技术，目前争论较多的是光学光刻和X射线光刻。
根据瑞利公式，投影光学系统的分辨率R-kl入/NO，其中入为曝光波长，NO为镜头的数值孔径，k，为条件系数。
不难看出，提高光刻分辨率的途径有三:一是增大N。
，二是缩小入，三是提高k;。
80年代中期，人们曾把增大闪。
作为提高分辨率的主要途径，但为了满足芯片面积日益增大的要求和提高生产效率，必须在增大NO的同时又加大视场面积和降低畸变，这就使光学设计越来越难。
于是人们开始转向缩小曝光的波长，但是根据焦深公式:00「一kZ入/N02，增大NO和缩小入又不可避免地导致焦深的急剧减小。
这似乎表明，光学光刻快要走到了尽头。
然而，马克·赖文森于1982年提出了移相曝光技术，也就是通过改变辐射光相位的方法使曝光图形的分辨率和焦深得以提高。
它包括移相掩模曝光技术、片子移相曝光技术、改进照明光源的移相照明技术等。
光学光刻有了一种“柳暗花明又一村”的感觉。
目前tC工业生产中的16MORAM采用的是i线以一365纳米)紫外曝光，旧M和日立公司目前正在考虑采用i线结合移相曝光技术或者激光曝光技术(入=248纳米)来生产64MDRAM，1992年日立公司推出的256MORAM所采用的光刻技术也是光学曝光技术。
最近，日本科学家宣称，采用移相曝光技术可以使加工线宽达到0.15微米。
但是必须看到，所谓的移相曝光技术其实已经超出了普通光学曝光的范畴，其掩模的制作难度很大，制作成本也很高。
而且，要生产IGORAM(特征尺寸0.18微米)及IG以后的ORAM时，光学光刻很难有所作为。
这时，人们认为X射线光刻会显示出其巨大的优越性。