微細(xì)加工技術(shù)

1、微細(xì)加工技術(shù)2021-10-132021-10-13一、制造技術(shù)自身加工的極限一、制造技術(shù)自身加工的極限第第1 1節(jié)節(jié) 微細(xì)加工技術(shù)的出現(xiàn)微細(xì)加工技術(shù)的出現(xiàn)現(xiàn)代制造技術(shù)的兩大發(fā)展趨勢(shì)：現(xiàn)代制造技術(shù)的兩大發(fā)展趨勢(shì)：1)1)自動(dòng)化、柔性化、集成化、智能化等方向發(fā)展自動(dòng)化、柔性化、集成化、智能化等方向發(fā)展-制制造系統(tǒng)自動(dòng)化；造系統(tǒng)自動(dòng)化；2)2)極小尺度、極大尺度和極端功能。極小尺度、極大尺度和極端功能。微細(xì)加工微細(xì)加工-屬于極小尺度的精密加工范疇。屬于極小尺度的精密加工范疇。2021-10-13二、微細(xì)加工出現(xiàn)的歷史背景二、微細(xì)加工出現(xiàn)的歷史背景1.1.精密機(jī)械儀器儀表零件的微細(xì)加工精密機(jī)械儀器儀

2、表零件的微細(xì)加工2.2.電子設(shè)備微型化和集成化的需求電子設(shè)備微型化和集成化的需求微細(xì)加工是電子設(shè)備微型化和集成化的關(guān)鍵技術(shù)之一。微細(xì)加工是電子設(shè)備微型化和集成化的關(guān)鍵技術(shù)之一。3.3.集成電路的制作技術(shù)集成電路的制作技術(shù)集成電路是電子設(shè)備微型化和集成化中的重要元件。集成電路是電子設(shè)備微型化和集成化中的重要元件。微細(xì)加工技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展與集成電路密切相關(guān)。微細(xì)加工技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展與集成電路密切相關(guān)。微機(jī)械的主要產(chǎn)品分類微機(jī)械的主要產(chǎn)品分類 微構(gòu)件微構(gòu)件 （微薄膜、微軸、微孔、微梁、微探針、微連桿、（微薄膜、微軸、微孔、微梁、微探針、微連桿、微齒輪、微軸承、微彈簧微齒輪、微軸承、微彈簧 ） 微傳感

3、器（壓力傳感器、加速度計(jì)、位移傳感器、流量計(jì)、微傳感器（壓力傳感器、加速度計(jì)、位移傳感器、流量計(jì)、溫度傳感器、微觸覺傳感器、微型生物傳感器、微型圖像溫度傳感器、微觸覺傳感器、微型生物傳感器、微型圖像傳感器、微陀螺儀傳感器、微陀螺儀 ） 微執(zhí)行器微執(zhí)行器 （微電機(jī)、微閥、微泵、微開關(guān)、微揚(yáng)聲器、（微電機(jī)、微閥、微泵、微開關(guān)、微揚(yáng)聲器、微諧振器微諧振器 ） 專用微機(jī)械器件及系統(tǒng)專用微機(jī)械器件及系統(tǒng) （人造器官、體內(nèi)施藥及取樣微（人造器官、體內(nèi)施藥及取樣微型泵、微型手術(shù)機(jī)器人型泵、微型手術(shù)機(jī)器人 ）2021-10-13集成了17個(gè)傳感器的機(jī)器螞蟻（MIT） IROBOT公司的PACKBOT反恐機(jī)器人

4、 微小軍用機(jī)昆蟲 2021-10-13一、微細(xì)加工的概念一、微細(xì)加工的概念第第2 2節(jié)節(jié) 微細(xì)加工的概念和加工方法微細(xì)加工的概念和加工方法微細(xì)加工技術(shù)微細(xì)加工技術(shù)：廣義上包含各種傳統(tǒng)精密加：廣義上包含各種傳統(tǒng)精密加工方法和與傳統(tǒng)精密加工方法完全不同的新方工方法和與傳統(tǒng)精密加工方法完全不同的新方法；狹義上，半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)。法；狹義上，半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)。整體微細(xì)加工技術(shù)整體微細(xì)加工技術(shù)：用各種微細(xì)加工方法在：用各種微細(xì)加工方法在集成電路基片上制造出各種微型運(yùn)動(dòng)機(jī)械，即集成電路基片上制造出各種微型運(yùn)動(dòng)機(jī)械，即微型機(jī)械和微型機(jī)電系統(tǒng)。微型機(jī)械和微型機(jī)電系統(tǒng)。2021-10-13二、微細(xì)加

5、工方法分類二、微細(xì)加工方法分類微細(xì)加工方法分類與精密加工方法相同微細(xì)加工方法分類與精密加工方法相同. .考慮加工對(duì)象與集成電路關(guān)系密切考慮加工對(duì)象與集成電路關(guān)系密切, ,一般按一般按分離加工、結(jié)合加工、變形加工分離加工、結(jié)合加工、變形加工的加工機(jī)的加工機(jī)理分類理分類. .分分 類類加工方法加工方法可加工材料可加工材料應(yīng)應(yīng) 用用切削加工切削加工（傳統(tǒng)加工）（傳統(tǒng)加工）等離子體切削等離子體切削微細(xì)切削微細(xì)切削微細(xì)鉆削微細(xì)鉆削各種材料各種材料有色金屬及其合金有色金屬及其合金低碳鋼、銅、鋁低碳鋼、銅、鋁熔斷鉬、鎢等高熔點(diǎn)材料，硬質(zhì)合金熔斷鉬、鎢等高熔點(diǎn)材料，硬質(zhì)合金球，磁盤，反射鏡，多面棱鏡球，磁盤，

6、反射鏡，多面棱鏡油泵油嘴，化學(xué)噴絲頭，印刷電路板油泵油嘴，化學(xué)噴絲頭，印刷電路板磨料加工磨料加工（傳統(tǒng)加工）（傳統(tǒng)加工）微細(xì)磨削微細(xì)磨削研磨研磨拋光拋光彈性發(fā)射加工彈性發(fā)射加工噴射加工噴射加工黑色金屬、硬脆材料黑色金屬、硬脆材料金屬、半導(dǎo)體、玻璃金屬、半導(dǎo)體、玻璃金屬、半導(dǎo)體、玻璃金屬、半導(dǎo)體、玻璃金屬、非金屬金屬、非金屬金屬、玻璃、水晶金屬、玻璃、水晶集成電路基片的外圓、平面磨削集成電路基片的外圓、平面磨削平面、孔、外圓加工，硅片基片平面、孔、外圓加工，硅片基片平面、孔、外圓加工，硅片基片平面、孔、外圓加工，硅片基片硅片基片硅片基片刻槽，切斷，圖案成形，破碎刻槽，切斷，圖案成形，破碎特種加工

7、特種加工（非傳統(tǒng)加工）（非傳統(tǒng)加工）電火花成形加工電火花成形加工電火花切割加工電火花切割加工電解加工電解加工超聲波加工超聲波加工微波加工微波加工電子束加工電子束加工粒子束去除加工粒子束去除加工激光去除加工激光去除加工光刻加工光刻加工導(dǎo)電金屬，非金屬導(dǎo)電金屬，非金屬導(dǎo)電金屬導(dǎo)電金屬金屬，非金屬金屬，非金屬硬脆金屬，非金屬硬脆金屬，非金屬絕緣金屬，半導(dǎo)體絕緣金屬，半導(dǎo)體各種材料各種材料各種材料各種材料各種材料各種材料金屬，非金屬，半導(dǎo)體金屬，非金屬，半導(dǎo)體孔，溝槽，狹縫，方孔，型腔孔，溝槽，狹縫，方孔，型腔切斷，切槽切斷，切槽模具型腔，大空，切槽，成形模具型腔，大空，切槽，成形刻模，落料，切片，打

8、孔，刻槽刻模，落料，切片，打孔，刻槽在玻璃、紅寶石、陶瓷等上打孔在玻璃、紅寶石、陶瓷等上打孔打孔，切割，光刻打孔，切割，光刻成形表面，刃磨，割蝕成形表面，刃磨，割蝕打孔，切斷，劃線打孔，切斷，劃線劃線，圖形成形劃線，圖形成形復(fù)合加工復(fù)合加工電解磨削電解磨削電解拋光電解拋光化學(xué)拋光化學(xué)拋光各種材料各種材料金屬，半導(dǎo)體金屬，半導(dǎo)體金屬，半導(dǎo)體金屬，半導(dǎo)體刃磨，成形，平面，內(nèi)圓刃磨，成形，平面，內(nèi)圓平面，外圓，型面，細(xì)金屬絲，槽平面，外圓，型面，細(xì)金屬絲，槽平面平面2021-10-13分離加工分離加工分分 類類加工方法加工方法可加工材料可加工材料應(yīng)應(yīng) 用用附著加工附著加工蒸鍍蒸鍍分子束鍍膜分子束鍍膜

9、分子束外延生長(zhǎng)分子束外延生長(zhǎng)離子束鍍膜離子束鍍膜電鍍電鍍(電化學(xué)鍍電化學(xué)鍍)電鑄電鑄噴鍍噴鍍金屬金屬金屬金屬金屬金屬金屬、非金屬金屬、非金屬金屬金屬金屬金屬金屬、非金屬金屬、非金屬鍍膜、半導(dǎo)體器件鍍膜、半導(dǎo)體器件鍍膜、半導(dǎo)體器件鍍膜、半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件干式鍍膜、半導(dǎo)體器件、刀具、工具干式鍍膜、半導(dǎo)體器件、刀具、工具電鑄型、圖案成形、印制線路板電鑄型、圖案成形、印制線路板噴絲板、柵網(wǎng)、網(wǎng)刃、鐘表零件噴絲板、柵網(wǎng)、網(wǎng)刃、鐘表零件圖案成形、表面改性圖案成形、表面改性注入加工注入加工離子束注入離子束注入氧化、陽(yáng)極氧化氧化、陽(yáng)極氧化擴(kuò)散擴(kuò)散激光表面處理激光表面處理金屬、非金屬金屬、非金屬金屬

10、金屬金屬、半導(dǎo)體金屬、半導(dǎo)體金屬金屬半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體摻雜絕緣層絕緣層摻雜、滲碳、表面改性摻雜、滲碳、表面改性表面改性、表面熱處理表面改性、表面熱處理結(jié)合加工結(jié)合加工電子束焊接電子束焊接超聲波焊接超聲波焊接激光焊接激光焊接金屬金屬金屬金屬金屬、非金屬金屬、非金屬難熔金屬、化學(xué)性能活潑金屬難熔金屬、化學(xué)性能活潑金屬集成電路引線集成電路引線鐘表零件、電子零件鐘表零件、電子零件2021-10-13結(jié)合加工結(jié)合加工加工方法加工方法可加工材料可加工材料應(yīng)應(yīng) 用用壓力加工壓力加工鑄造鑄造(精鑄、壓鑄精鑄、壓鑄)金屬金屬金屬、非金屬金屬、非金屬板、絲的壓延、精沖、拉拔、擠壓、波導(dǎo)管、衍射光柵板、絲的壓延、精沖

11、、拉拔、擠壓、波導(dǎo)管、衍射光柵集成電路封裝、引線集成電路封裝、引線2021-10-13變形加工變形加工2021-10-131-1-發(fā)射陰極發(fā)射陰極 2-2-控制柵極控制柵極 3-3-加速加速陽(yáng)極陽(yáng)極 4-4-聚焦系統(tǒng)聚焦系統(tǒng) 5-5-電子束斑點(diǎn)電子束斑點(diǎn) 6-6-工件工件 7-7-工作臺(tái)工作臺(tái)一、微細(xì)加工的基礎(chǔ)技術(shù)一、微細(xì)加工的基礎(chǔ)技術(shù)第第3 3節(jié)節(jié) 微細(xì)加工方法微細(xì)加工方法1.電子束加工電子束加工（electron beam machining，EBM）是在真空條件下，利用電子槍是在真空條件下，利用電子槍中產(chǎn)生的電子經(jīng)加速、聚焦后能量密中產(chǎn)生的電子經(jīng)加速、聚焦后能量密度為度為106109w/

12、cm2的極細(xì)束流高速的極細(xì)束流高速?zèng)_擊到工件表面上極小的部位，并在沖擊到工件表面上極小的部位，并在幾分之一微秒時(shí)間內(nèi)，其能量大部分幾分之一微秒時(shí)間內(nèi)，其能量大部分轉(zhuǎn)換為熱能，使工件被沖擊部位的材轉(zhuǎn)換為熱能，使工件被沖擊部位的材料達(dá)到幾千攝氏度，致使材料局部熔料達(dá)到幾千攝氏度，致使材料局部熔化或蒸發(fā)，來(lái)去除材料?；蛘舭l(fā)，來(lái)去除材料。利用電子束熱效應(yīng)加工利用電子束熱效應(yīng)加工2021-10-13束徑小、能量密度高；束徑小、能量密度高；束徑束徑100-0.01100-0.01m，可加工深孔，可加工深孔被加工對(duì)象范圍廣；被加工對(duì)象范圍廣；金屬、非金屬、半導(dǎo)體等材料金屬、非金屬、半導(dǎo)體等材料加工速度快，

13、效率高；加工速度快，效率高；控制性能好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化?？刂菩阅芎茫子趯?shí)現(xiàn)自動(dòng)化。電子束加工特點(diǎn)及其應(yīng)用電子束加工特點(diǎn)及其應(yīng)用2021-10-13第第4 4節(jié)節(jié) 微細(xì)加工方法微細(xì)加工方法2.離子束加工離子束加工（ion beam machiningion beam machining，IBMIBM）是在真空條件下利用離子源是在真空條件下利用離子源（離子槍）產(chǎn)生的離子經(jīng)加速聚（離子槍）產(chǎn)生的離子經(jīng)加速聚焦形成高能的離子束流投射到工焦形成高能的離子束流投射到工件表面，使材料變形、破壞、分件表面，使材料變形、破壞、分離以達(dá)到加工目的。離以達(dá)到加工目的。因?yàn)殡x子帶正電荷且質(zhì)量是電子因?yàn)殡x子帶正電荷且

14、質(zhì)量是電子的千萬(wàn)倍，且加速到較高速度時(shí)，的千萬(wàn)倍，且加速到較高速度時(shí)，具有比電子束大得多的撞擊動(dòng)能，具有比電子束大得多的撞擊動(dòng)能，因此，因此，離子束撞擊工件將引起變離子束撞擊工件將引起變形、分離、破壞等機(jī)械作用形、分離、破壞等機(jī)械作用，而，而不像電子束是通過(guò)熱效應(yīng)進(jìn)行加不像電子束是通過(guò)熱效應(yīng)進(jìn)行加工。工。2000)/(4mmmmEE2021-10-13(1)(1)離子束的力效應(yīng)及其濺射現(xiàn)象離子束的力效應(yīng)及其濺射現(xiàn)象離子束濺射現(xiàn)象離子束濺射現(xiàn)象：質(zhì)量大動(dòng)能高的離子沖擊工件表面時(shí)，質(zhì)量大動(dòng)能高的離子沖擊工件表面時(shí)，將產(chǎn)生彈性碰撞，將能量傳遞給工件材料的原子、分子，其中將產(chǎn)生彈性碰撞，將能量傳遞給工

15、件材料的原子、分子，其中一部分能量使原子、分子產(chǎn)生濺射，被拋出工件表面。一部分能量使原子、分子產(chǎn)生濺射，被拋出工件表面。直線彈性一次碰撞所傳遞動(dòng)能直線彈性一次碰撞所傳遞動(dòng)能2021-10-13(2)(2)離子束加工方法離子束加工方法1)1)離子束濺射去除離子束濺射去除離子刻蝕離子刻蝕 這種加工本質(zhì)上屬于一種原子尺度的切削加工，通常又稱為這種加工本質(zhì)上屬于一種原子尺度的切削加工，通常又稱為離子銑削。離子銑削。 離子束刻蝕可用于加工空氣軸承的溝槽、打孔、加工極薄材離子束刻蝕可用于加工空氣軸承的溝槽、打孔、加工極薄材料及超高精度非球面透鏡，還可用于刻蝕集成電路等的高精料及超高精度非球面透鏡，還可用于

16、刻蝕集成電路等的高精度圖形。度圖形。2021-10-13離子濺射沉積離子濺射沉積 采用能量為采用能量為0.10.15keV5keV的氬離子轟擊某種材料制成的氬離子轟擊某種材料制成的靶材，將靶材原子擊出并令其沉積到工件表面上的靶材，將靶材原子擊出并令其沉積到工件表面上并形成一層薄膜。并形成一層薄膜。 實(shí)際上此法為一種鍍膜工藝。實(shí)際上此法為一種鍍膜工藝。2021-10-132)2)離子束濺射鍍膜加工離子束濺射鍍膜加工具有高靈敏度和分辨力。能對(duì)線寬小于具有高靈敏度和分辨力。能對(duì)線寬小于0.10.1m m的精密的精密精細(xì)圖形曝光。精細(xì)圖形曝光。2021-10-133)3)離子束曝光離子束曝光2021-

17、10-13(3)(3)離子束加工的特點(diǎn)及其應(yīng)用離子束加工的特點(diǎn)及其應(yīng)用1)1)加工精度和表面質(zhì)量高。加工精度和表面質(zhì)量高。不產(chǎn)生熱量，無(wú)機(jī)械應(yīng)力和損傷。不產(chǎn)生熱量，無(wú)機(jī)械應(yīng)力和損傷。離子束直徑可在離子束直徑可在1 1m m內(nèi)，加工精度可內(nèi)，加工精度可達(dá)達(dá)nmnm級(jí)。級(jí)。2)2)加工材料廣泛。加工材料廣泛。各種材料各種材料3)3)加工方法豐富多樣。加工方法豐富多樣。4)4)控制性能好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制性能好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化?；?。5)5)應(yīng)用范圍廣泛。應(yīng)用范圍廣泛。直徑小、能量密度大的離子束用于加工；直徑小、能量密度大的離子束用于加工；直徑大、能量密度低的離子束適于鍍膜、刻蝕；直徑大、能量密度低的

18、離子束適于鍍膜、刻蝕；直徑大、能量強(qiáng)的離子束適于注入加工。直徑大、能量強(qiáng)的離子束適于注入加工。2021-10-13微細(xì)加工的基礎(chǔ)技術(shù)微細(xì)加工的基礎(chǔ)技術(shù)第第4 4節(jié)節(jié) 微細(xì)加工方法微細(xì)加工方法激光加工激光加工（laser beam machining，LBM）是在光熱效應(yīng)是在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生的高溫熔融和沖擊波的綜合作用過(guò)程。下產(chǎn)生的高溫熔融和沖擊波的綜合作用過(guò)程。 通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚焦成尺寸與光波波長(zhǎng)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚焦成尺寸與光波波長(zhǎng)相近的極小光斑，溫度可達(dá)一萬(wàn)攝氏度，將材相近的極小光斑，溫度可達(dá)一萬(wàn)攝氏度，將材料在瞬間（料在瞬間（10-3s）熔化和蒸發(fā)，熔融物被產(chǎn)生）熔化和蒸發(fā)，熔融物

19、被產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波噴濺出去。的強(qiáng)烈沖擊波噴濺出去。激光加工機(jī)理激光加工機(jī)理熱效應(yīng)熱效應(yīng)2021-10-13激光加工方法激光加工方法1)1)激光打孔激光打孔最小孔徑幾微米，深度可達(dá)直徑的最小孔徑幾微米，深度可達(dá)直徑的5050倍?？妆丁？讖胶蜕疃瓤刹捎媒?jīng)驗(yàn)公式估算。徑和深度可采用經(jīng)驗(yàn)公式估算。2021-10-13激光加工方法激光加工方法2)2)激光切割激光切割常采用常采用COCO2 2氣體激光器以連續(xù)或脈沖方式切割。氣體激光器以連續(xù)或脈沖方式切割。3)3)激光微調(diào)激光微調(diào)用于調(diào)整電路中某些元件參數(shù)。用于調(diào)整電路中某些元件參數(shù)。( (調(diào)電阻，無(wú)損調(diào)電阻，無(wú)損傷照射，改變膜結(jié)構(gòu)；高能量照射，使部分電阻膜氣傷照射，改變膜結(jié)構(gòu)；高能量照射，使部分電阻膜氣化去除化去除) )4)4)激光表面改性激光表面改性改變材料表面的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和金相