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。

欧洲等国也将超精密加工技术的发展放在重要位置，60年代起英国开始研究超精密加工技术，克兰菲尔德大学精密工程研究所相继研制出能加工大型非球面反射镜的数控金刚石立式车床、加工大型非对称结构光学零件的数控超精密磨床、研制了脆性材料的超精密磨削工艺。

现已成立了国家纳米技术战略委员会，正在执行国家纳米技术研究计划。

德国和瑞士也有比较强的超精密加工能力。

1992年后，欧洲实施了一系列的联合研究与发展计划，加强和推动超精密加工技术的发展。

超精密车削、磨削和研磨是已经发展成熟并大量应用的加工技术。

日本开发了外圆和平面等多种类型的研磨机，美国也研制成功了加工陀螺零件的球形研磨机。

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。

控制原子或分子的手段叫光镊，对分子原子进行切割雕刻使用的是光刀。

一种材料通过改变它的分子结构及原子排列取向，进而形成新布局，那么，它的性能就会发生很大变化，这样未来我们所制造出来的电子器件，与现在相比，其功能相同，而体积则要小多少万倍。

在以后的几十年，随着原子尺度加工技术不断完善和提高，就会出现多种单原子器件和新型分子材料，如果把它们用制造机器人，最小型的就可以爬进人的血管，进行各种各样的治疗手术。

同样，用来制造卫星，卫星的体积，也会大大减少，到那时人类可能一次发射成千上万颗用于各方面的卫星，而到目前为止，人类在以往几十年间，一共才把几千颗卫星送
上天。

通过科学分析和计算，改变了原子分子结构的新型材料，具有更高的强度，更轻的重量，更好的绝热和耐高温性能，在空间领域，用来做太空船的外壳，引擎或其它方面，太空船会变得更轻、更快，能够承受更为恶劣的环境，它会带着人类走的更远，会征服更多的星球。

在日常生活中，我们所看到的，用激光刻录的光盘，已经可以储存较多的信息了，但这只是一种新的输入方式，而光盘本身作为一种材料，容量还是有限的，如增加它的原子分子密度和改变它们取向，那么未来就可以把现在成千上万强光盘的信息，放进象手表大小的空间里。

一座大型图书馆全部书籍可容进一张光盘内，你拥有了这张光盘，就拥有了一座图书馆。

在生物领域，各种各样的原子和分子，以它特有的方式组合在一起，由此产生了世界万物，如果利用光镊光刀，把生命体的某些原子取出，然后，按照科学规律，重新组合，会出现什么样的结果，科学乐观的预测，这样就有可能创造出具有生命力的新物质，而它的存在形成，与我们常见的动物、植物和生物会有所不同。

同样，利用光刀光镊，修复DNA和某些有缺陷的遗传基因，从而可以克服困扰人类的多种顽症。

制造技术是直接创造财富的基础，是国民经济得以发展和制造业本身赖以生存的主体技术。

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加工极限。

微机械或微电子机械系统(MEMS)是20世纪80年代后期发展起来的一门新兴学科。

它给国民经济、人民生活和国防、军事等带来了深远的影响，被列为21世纪关键技术之一。

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已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。

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。

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。

微机械的制造和生产离不开微细加工技术。

微细加工技术是制造微小尺寸零件的加工技术。

二、几种微细加工技术
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。

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，如切削技术，磨料加工技术，电火花加工，电解加工，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，粒子束加工，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，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，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，光电子时代的关键技术之一。

（1）分子装配技术
分子装配技术也可以成为分子操纵技术或原子操纵技术。

是一种纳米级微细加工技术，是一种从物质的微观入手并以此为基础构造微结构、制造微机械的方法。

分子装配技术是分子电子学的重要组成部分，在生物技术和生命科学中，也具有广阔的应用前景。

目前分子装配技术在生命科学中的主要应用有：基因分析、染色体和细胞膜分析，蛋白质和核酸聚合分析，新物种产生等领域。

（2）微细切削加工技术
微细切削加工的主要方法有微细车削，微细磨削，微细钻孔等，均为微量切削，又可称之为极薄切削。

微细切削的机理与一般普通切削有很大的区别。

一般的金属材料是由直径为数微米到数百微米的晶粒构成，在普通切削时，由于工件尺寸较大，允许的切削深度、进给量均较大，可以忽略晶粒本身大小而作为一个连续体看待；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进行切削，这是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的增加并变得非常大。

（3）微细电火花加工技术
微细电火花加工技术是一种非接触式的、宏观加工力很小的加工过程，这样就减轻了工具和工件的力学负担，对于采用微细工具的微细加工而言无疑是极具优势的。

并且，相对于微机电系统技术、微细金刚石刀具切削等微细加工技术而言，微细电火花加工技术还具有加工材料的适应性广、三维加工能力强、易于实现大深径比的小孔加工等特点，同时利用其工具与工件间无宏观作用力的特点，可方便的实现斜面、平面上的孔加工及异形孔的加工，这对于特殊结构和特殊材料零件的加工是极为有利的。

（4）掩膜微细电化学时刻加工技术
在有掩膜电解蚀刻中，常用光刻胶在待加工材料上制成特定图案的遮蔽层，未被保护的材料在电解作用下逐渐腐蚀直到所需的深度。

目前，微细结构的加工很多都采用化学刻蚀，但由于化学刻蚀的等方向性，就很难获得较直的加工侧壁和较大的深宽比，且加工速度也较慢。

而有掩膜的微细电解加工通过控制电解液的流速和电流密度的分布能很好地克服化学刻蚀存在的缺点。

掩膜法的优点是可以使用腐蚀性小的中性盐电解质，对环境污染小，适用面广，刻蚀速度快。

（5）电子束微加工技术
电子束加工是近年来得到较大发展的一种新兴特种微细加工技术。

子束微加工技术主要用于打孔、窄缝、焊接、和大规模集成电路的光刻化学加工，在微细精密加工、尤其是在微电子学领域中得到广泛应用。

电子束微加工具有如下的特点：束径微小，可加工材料范围广，加工效率高，控制性能好，电子束加工温度容易控制，污染小等。

电子束加工的缺点是在真空中进行的，需要这一整套专用设备和真空系统，价格较贵，生产应用有一定的局限性。

（6）离子束微细加工技术
离子束加工也是近年来得到较大发展的一种新兴特种微细加工技术，它是利用离子束对材料进行成形或表面改性的加工方法，它的原理和电子束加工基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之打到工件表面从而对工件进行加工。

离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。

离子束加工具有以下特点：加工精度高，易于精确控制；可加工的材料范围广泛；加工表面质量高；离子束加工设备费用贵、成本高，加工效率低，因此应用范围受到一定限制。

（7）激光微细加工技术
激光作为一种新型光源，它和普通光源的区别在于发光的微观机制不同。

普通光源的发光是以自发辐射为主，各个发光中心发出的光波无论方向、相位或者偏振态是各不相同的。

激光的光发射则是以受激辐射为主，各个发光中心发出的光波都具有相同的频率、方向、偏振态和严格的相位关系。

由于这种基本差别，激光强度或亮度高、单色性好、相干性好和方向性好这些突出优点。

激光加工主要有以下特点：加工精度高；加工材料范围广泛；加工性能好；加工快、热影响区小、效率高。

（8）光刻技术
光刻加工技术的主要工序如下：
1)涂胶把光刻胶涂敷在氧化膜上的过程称为涂胶。

他又可称为正性胶和负性胶。

常
用的涂胶方法有旋转（离心）甩涂、浸渍、喷涂和印刷等。

2)曝光有光源发出的光束，经掩膜在光刻胶上成像，或将光束聚焦形成细小束斑通
过扫描在光刻胶上的绘制图形，统称之曝光。

前者称之为投影曝光，又称为复印，常用的光源有电子束、X射线、远紫外线（准分子激光）、离子束等；从投影方式上可分为接触式、接近式、反射式等，前述的原版就是用于投影曝光。

后者称之为扫描曝光，又称为写图，常用的光源有电子束、离子束等。

3)显影与烘干曝光后的光致抗蚀剂，其分子结构产生化学变化，在特定溶剂或水
中的溶解度也不同，利用曝光区和非曝光区的这一差异，在特定溶剂中把曝光图形呈现出来这就是显影。

有的光致抗蚀剂在显影干燥后，要进行200度~250度的高温处理，使它发生热聚合作用，以提高强度，叫做烘片。

4)刻蚀利用化学或物理方法，将没有光刻胶的部分的氧化膜去除，称之为刻蚀。

刻蚀的方法很多，有化学刻蚀、离子刻蚀、电解刻蚀等。

5)剥膜与检查用剥膜液去除光刻胶的处理为剥膜。

剥膜后洗净修整，进行外观线
条尺寸、间隔尺寸、断面形状、物理性能和电学特性等检查。

（9）硅的体微加工技术
硅的体微加工技术是指利用腐蚀工艺对块状硅进行准三维结构的微加工，以形成所需要的硅微结构，主要包括腐蚀和停止腐蚀两项关键技术。

腐蚀又称蚀刻，是微加工中的重要工艺之一。

它是指在需要的地方通过物理或化学的方法对原有材料的去除。

主要有干法和湿法两种腐蚀方式。

三、微细加工特点
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等等在发展国民经济，振兴我国国防事业等发面都有非常重要的意义，这一领域的发展对未来的国民经济、科学技术等将产生巨大影响，先进国家纷纷将之列为未来关键技术之一并扩大投资和加强基础研究与开发。

所以我们有理由有必要加快这一领域的发展和开发进程。

微小尺寸和一般尺寸加工是不同的，其不同点主要表现在以下几个方面：
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理。

由于微细加工方法的种类繁多，原理迥异，价值微细加工技术本身尚属于起步阶段，因此，目前，人们对微细加工机理的研究与认识还极不系统，深入。

从总的加工机理来看，微细加工可分为分离、结合、变形三大类。

分离加工又称去除加工，其机理是从工件上去除一块材料，可以用分解、蒸发、扩散、切削等手段去分离。

结合加工又可称之为附着加工，其机理是在工件表面上附加一层别的材料。

如果这层材料与工件基体材料不发生物理化学作用，只是覆盖在上面，就称之为附着，也可称之为弱结合，典型的方法是电镀、蒸镀等。

如果这层材料与工件基体材料发生化学作用，生成新的物质层，则
称之为结合，也可称之为强结合，点醒的加工方法有氧化、渗碳等。

变形加工又可称之为流动加工，其机理是通过材料流动使工件产生变形，其特点是不产生切屑，典型的加工方法是压延、拉拔、挤压等。

长期以来，对变形加工的概念停留在大型、低精度的认识上，实际上微细变形加工可以加工极薄（板厚为数微米）或（丝径为数微米)的成品材料。

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。

四、总结
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。

工欲善其事，必先利其器。

无论是过去数十年半导体技术和其他工业技术的发展，还是当代微纳米技术的进步，以及将来大规模集成电路、分子电路、量子电路、生物芯片等的出现，无不依赖于微细加工技术的发展和进步。

只有人们艰苦地建筑一座座微细、超微细加工技术的桥梁，才可能使微电子技术和其他技术一代又一代地发展起来，通往更高层次的文明时代。

因此，学习、研究和应用微细加工技术具有十分重要的意义。