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第五讲微细加工技术
组成微系统。
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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。
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（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。
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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。
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• 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。
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
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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
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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。
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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 ）
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
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。
微细加工技术概述59页PPT
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能应付逆境的态度。——卢梭
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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
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上0、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
微细加工技术概述
1、 舟 遥 遥 以 轻飏， 风飘飘 而吹衣 。 2、 秋 菊 有 佳 色，裛 露掇其 英。 3、 日 月 掷 人 去，有 志不获 骋。 4、 未 言 心 相 醉，不 再接杯 酒。 5、 黄 发 垂 髫 ，并怡 然自乐 。
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谢谢！
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微细加工技术
第6章 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。
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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
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
《微细加工CV》课件
总结与展望
微细加工是一项关键的制造技术，正在不断创新和发展。它为各个领域的科 学研究和应用提供了无限的可能性。
微细加工的工艺流程
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加工准备
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准备工艺流程所需的设备、工具和材料，
并进行表面处理和预处理。
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性能测试
4
对加工完成的微细产品和结构进行性能 测试和质量验证。
设计
根据产品要求和功能，设计微细结构和 器件的几何形状和尺寸。
加工
使用适当的加工技术和工具，对材料进 行切割、蚀刻、沉积和组装等操作。
微细加工的常用设备和工具
离子束刻蚀机（FIB）
利用高能离子束进行刻蚀和加工 的设备，可实现测量和修复微细 结构。
纳米光刻技术
使用纳米级光刻胶和掩膜，通过 光或电子束刻写实现微细加工。
扫描电子显微镜（SEM）
可观察和分析微细结构，用于定 位和检测微细加工结果。
微细加工的发展趋势
未来的微细加工将更加精密和高效，使用更先进的材料和工具，实现更复杂、功能更强大的微细结构和器件。
《微细加工CV》PPT课 件
微细加工是一种精细加工技术，通过使用微观尺度下的工具和工艺，制造微 小尺寸的产品和结构。在各个应用领域都有广泛的应用，如电子、医疗和光 学等。
什么是微细加工？
微细加工是一种通过精密控制和操作微观尺度下的材料和工具，制造微小尺 寸产品和结构的加工技术。
微细加工的应用领域
电子行业
微细加工在芯片制造和电子元件生产中扮演关键角色，如微型电路和传感器。
医疗领域
微细加工可以用于制备医疗器械、微型生物芯片和药物传递系统。
光学产业
光学元件的微细加工可以制造高精度镜头、光纤和激光器等。
微细加工的优点和挑战
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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。
微细加工机理
2．材料缺陷分布的影响
材料微观缺陷分布或材质不均匀性，可以归纳为以下几种情况： 1)晶格原子(～10-6mm) 在晶格原子空间的破坏就是把原子一个个去除。 2)点缺陷(10-6～10-4mm) 点缺陷就是在晶粒结构中存在着空位和填隙 原子。 点缺陷空间的破坏就是以点缺陷为起点来增加晶格缺陷的破坏。 3)位错缺陷(10-4～10-2mm) 位错缺陷就是晶格位移和微裂纹，它在晶体中 呈连续的线状分布，故又称为线缺陷。在晶体内部，一般情况下大约 1m左右的间隔内就有一个位错缺陷。 4)晶界、空隙和裂纹(10-2～1mm) 它们的破坏是以缺陷面为基础的晶粒间 破坏。 5)缺口(1mm以上) 缺口空间的破坏是由于拉应力集中而引起的破坏。在微 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。各种破坏方式所需的加工能量也是不同的。
微小机械学发展
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。
微小机械学发展
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。
微细加工的概念
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。
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 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。
微细加工的概念
微细加工与常规尺寸的加工的机理是截然不同的。微 细加工与一般尺度加工的主要区别体现在： 1. 加工精度的表示方法不同。在一般尺度加工中，加 工精度常用相对精度表示；而在微细加工中，其加工 精度则用绝对精度表示。加工单位概念的引入。 2. 加工机理存在很大的差异。由于在微细加工中加工 单位的急剧减小，此时必须考虑晶粒在加工中的作用。 3.加工特征明显不同。一般加工以尺寸、形状、位置 精度为特征；微细加工则由于其加工对象的微小型化， 目前多以分离或结合原子、分子为特征。
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。
• 微机械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
传统制造技术
微细制造技术
MEMS技术
纳米机械 纳米制造技术
二、微细加工的概念及其特点
微细加工机理
不同微细加工方法的加工机理
根据各种方法的加工机理的不同，微细加工可大致分为3大类： 分离加工将材料的某一部分分离出去的加工方式，如切削、分 解、刻蚀、溅射等。大致可分为切削加工、磨料加工、特种加 工及复合加工等。 结合加工同种或不同种材料的附加或相互结合的加工方式，如 蒸镀、沉积、生长、渗入等。可分为附着、注入和接合三类。 附着是指在材料基体上附加一层材料；注入是指材料表层经处 理后产生物理、化学、力学性能的改变，也可称之为表面改性； 接合则是指焊接、粘接等。 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。
微细加工的特点
微细加工作为精密加工领域中的一个极重要的关键技术， 目前有如下的几个特点： 1. 微细加工和超微细加工是多学科的制造系统工程； 2. 微细加工和超微细加工是多学科的综合高新技术； 3. 平面工艺是微细加工的工艺基础； 4. 微细加工技术和精密加工技术互补； 5. 微细加工和超微细加工与自动化技术联系紧密； 6.微细加工检测一体化。
微细加工机理
1．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 (N ／ mm2) 急剧 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。
微细加工技术概述
一、微细加工技术的出现
•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， 使现代制造成工极限。 •微细加工技术是制造微小尺寸零件的加工技术。