微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)課件

第七章先進(jìn)制造技術(shù)第七章先進(jìn)制造技術(shù)第七章先進(jìn)制造技術(shù)第一節(jié)快速成形制造技術(shù)第二節(jié)精密超精密加工技術(shù)第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)第七章先進(jìn)制造技術(shù)第一節(jié)快速成形制造技術(shù)第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)一、簡(jiǎn)介微機(jī)械在美國(guó)常被稱(chēng)作微型機(jī)電系統(tǒng)（MicroelectromechanicalSystem,MEMS）；在日本稱(chēng)作微機(jī)器（Micromachine）；而在歐洲則稱(chēng)作微系統(tǒng)（Microsystem）。按外形尺寸，微機(jī)械可劃分為110mm的微小型機(jī)械,1m1mm的微機(jī)械，以及1nm1m的納米機(jī)械。第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)一、簡(jiǎn)介第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)微機(jī)械具有以下幾個(gè)基本特點(diǎn)：體積小，精度高，重量輕。性能穩(wěn)定，可靠性高。能耗低，靈敏性和工作效率高。多功能和智能化。適于大批量生產(chǎn)，制造成本低廉。第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)微機(jī)械具有以下幾個(gè)基本特點(diǎn)：第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)產(chǎn)品主要應(yīng)用領(lǐng)域研制國(guó)家及單位主要工藝方法硅壓力傳感器航空航天，醫(yī)療器械美國(guó)斯坦福大學(xué)，加州弗里蒙特新傳感器制造公司，日本橫河電機(jī)公司等異向刻蝕工藝及加硼控制法微加速度傳感器航空航天，汽車(chē)工業(yè)美國(guó)斯坦福大學(xué)，加州弗里蒙特新傳感器制造公司，德國(guó)卡爾斯魯核研究中心微結(jié)構(gòu)技術(shù)研究所，瑞士納沙泰爾電子和微型技術(shù)公司等制版術(shù)和刻蝕工藝，LIGA技術(shù)微型溫度傳感器航空航天，汽車(chē)工業(yè)美國(guó)斯坦福大學(xué)，加州弗里蒙特新傳感器制造公司等制版術(shù)和刻蝕工藝螺旋狀振動(dòng)式壓力傳感器和加速度傳感器航空航天，汽車(chē)工業(yè)德國(guó)慕尼黑夫瑯霍費(fèi)固體工藝研究所等制版術(shù)和刻蝕工藝智能傳感器微機(jī)械人德國(guó)菲林根施韋寧根微技術(shù)研究所制版術(shù)和刻蝕工藝微型冷卻器航空航天和電子工業(yè)，用于集成電路中美國(guó)斯坦福大學(xué)，加州弗里蒙特新傳感器制造公司等制版術(shù)和異向刻蝕工藝微型干涉儀類(lèi)似于電子濾波器美國(guó)IC傳感器制造公司等制版術(shù)和刻蝕工藝硅材油墨噴嘴計(jì)算機(jī)設(shè)備美國(guó)斯坦福大學(xué)異向刻蝕工藝分離同位素的微噴嘴核工業(yè)德國(guó)卡爾斯魯核研究中心微結(jié)構(gòu)技術(shù)研究所等LIGA技術(shù)微型泵醫(yī)療器械，電子線(xiàn)路日本東北大學(xué)，荷蘭特溫特大學(xué)，德國(guó)慕尼黑夫瑯霍費(fèi)固體工藝研究所等刻蝕工藝和堆裝技術(shù)微型閥醫(yī)療器械德國(guó)慕尼黑夫瑯霍費(fèi)固體工藝研究所制版術(shù)和刻蝕工藝微型開(kāi)關(guān)（密度12400個(gè)/cm2)航空航天和武器工業(yè)美國(guó)明尼蘇達(dá)州大學(xué)制版術(shù)和異向刻蝕工藝微齒輪，微彈簧及微曲柄，葉片，棘輪微執(zhí)行機(jī)構(gòu)，核武器安全裝置美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校，圣迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室分離層技術(shù)，制版術(shù)和刻蝕工藝直徑的微靜電電機(jī)計(jì)算機(jī)和通訊系統(tǒng)的控制美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校，麻省理工學(xué)院分離層技術(shù)一些典型的微機(jī)械產(chǎn)品第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)產(chǎn)品主要應(yīng)用領(lǐng)域研制國(guó)家及第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)二、微細(xì)加工技術(shù)微細(xì)加工（Microfabrication）起源于半導(dǎo)體制造工藝，原來(lái)指加工尺度約在微米級(jí)范圍的加工方式。在微機(jī)械研究領(lǐng)域中，它是微米級(jí)，亞微米級(jí)乃至毫微米級(jí)微細(xì)加工的通稱(chēng)。制造微機(jī)械常采用的微細(xì)加工又可以進(jìn)一步分為微米級(jí)微細(xì)加工(Micro-fabrication)，亞微米級(jí)微細(xì)加工(Sub-micro-fabrication)和納米級(jí)微細(xì)加工(Nano-fabrication)等。廣義上的微細(xì)加工技術(shù)，幾乎涉及了各種現(xiàn)代特種加工、高能束等加工方式。第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)二、微細(xì)加工技術(shù)第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)從基本加工類(lèi)型看，微細(xì)加工可大致分四類(lèi):分離加工——將材料的某一部分分離出去的加工方式；接合加工——同種或不同材料的附和加工或相互結(jié)合加工；變形加工——使材料形狀發(fā)生改變的加工方式；材料處理或改性。第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)從基本加工類(lèi)型看，微細(xì)加工可第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)加工

類(lèi)型

加工機(jī)理

加工方法

分

離

加

工

化學(xué)分解（熱激活式）（液體、氣體、固體）

電子化學(xué)分解（電解激活式）（液體、固體）

蒸發(fā)（熱式）（氣體、固體）

擴(kuò)散分離（熱式）（固體、液體、氣體）

熔化分離（熱式）（固體、液體、氣體）

濺射（力學(xué)式）（固體）

離子化表面原子的電場(chǎng)發(fā)射

光刻、化學(xué)刻蝕、活性離子刻蝕、化學(xué)拋光

電解拋光、電解加工（刻蝕）

電子束加工、激光加工、熱射線(xiàn)加工

擴(kuò)散去除加工（融化）

熔化去除加工

離子濺射加工、光子直接去除加工（X射線(xiàn)）

用電場(chǎng)分離（STM加工、AFM加工）

接

合

加

工『結(jié)合

增長(zhǎng)』

化學(xué)沉積及結(jié)合（固體、液體、氣體）

電化學(xué)沉積及結(jié)合（固體、液體、氣體）

熱沉積及熱結(jié)合（固體、液體、氣體）

擴(kuò)散結(jié)合（熱式）

熔化結(jié)合（熱式）

物理沉積及結(jié)合（力學(xué)式）

注入（力學(xué)式）

電子場(chǎng)發(fā)射

化學(xué)鍍、氣相鍍、氧化及氮化激活反應(yīng)鍍ARP

電鍍、陽(yáng)極氧化、電鑄（電成型）、電泳成型

蒸發(fā)沉積、外延生長(zhǎng)、分子束外延

燒結(jié)、發(fā)泡、離子滲氮

熔化鍍、浸鍍

濺射沉積、離子鍍膜、離子束外延、離子束沉積

離子注入加工STM加工

變

形

加

工

熱表面流動(dòng)

粘滯性流動(dòng)（力學(xué)式）

摩擦流動(dòng)（力學(xué)式）

塑性變形

分子定位

熱流動(dòng)表面加工（氣體高溫、高頻電流、熱射線(xiàn)、

電子束、激光）

液流（水）拋光、氣體流動(dòng)加工

微細(xì)粒子流拋光（研磨、壓光、精研）

電磁成形、放電、懸臂彎曲、拉伸等STM裝置

材料

處理

或

改性

熱激活（電子、光子、離子等）

混合沉積（電子、離子、光子束）

化學(xué)反應(yīng)（電子、光子、離子等）

加能化學(xué)反應(yīng)（電子、光子束、離子）

催化反應(yīng)

淬硬、退火（金屬、半導(dǎo)體）、上光、硬化

擴(kuò)散、混合（離子）

聚合、解聚合

表面活性?huà)伖?/p>

反應(yīng)激勵(lì)不同形式的微細(xì)加工方法第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)加工加第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)微機(jī)械微細(xì)加工并不僅限于微電子(Microelectronics)制造技術(shù)，更重要的是指微機(jī)械構(gòu)件的加工(英文多為Micromachining)或微機(jī)械與微電子、微光學(xué)等的集成結(jié)構(gòu)的制作技術(shù)。目前，微機(jī)械微細(xì)加工常用的有光刻制版、高能束刻蝕、LIGA、準(zhǔn)LIGA等方法。微細(xì)加工得到的鐵塔微模型第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)微機(jī)械微細(xì)加工并不僅限于微電第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)微機(jī)械的微細(xì)加工技術(shù)（Micromachiningtechnology）有以下特點(diǎn)：從加工對(duì)象上看，微細(xì)加工不但加工尺度極小，而且被加工對(duì)象的整體尺寸也很微?。挥捎谖C(jī)械對(duì)象的微小性和脆弱性，僅僅依靠控制和重復(fù)宏觀(guān)的加工相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡達(dá)到加工目的，已經(jīng)很不現(xiàn)實(shí)。必須針對(duì)不同對(duì)象和加工要求，具體考慮不同的加工方法和手段；微細(xì)加工在加工目的、加工設(shè)備、制造環(huán)境、材料選擇與處理、測(cè)量方法和儀器等方面都有其特殊要求。第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)微機(jī)械的微細(xì)加工技術(shù)（Mi第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)1、硅微加工技術(shù)硅是最基本的微機(jī)械加工材料，微細(xì)加工技術(shù)一般都要涉及硅材料。硅微細(xì)加工技術(shù)所用的典型加工工藝為：去除(刻蝕、激光加工、機(jī)械鉆孔等)和添加(沉積絕緣體、金屬等)在襯底上“去除”的懸臂梁(a)和在襯底上“添加”的懸臂梁(b)第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)1、硅微加工技術(shù)在襯底上“去第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)體微機(jī)械加工技術(shù)體微機(jī)械加工工藝是針對(duì)整塊材料如單晶硅基片通過(guò)刻蝕（Etching）等去除部分基體或襯底材料，從而得到所需元件的體構(gòu)形。在體微機(jī)械加工技術(shù)中，關(guān)鍵的步驟是刻蝕工藝?？涛g工藝分為干法刻蝕和濕法刻蝕。體微機(jī)械加工工藝第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)體微機(jī)械加工技術(shù)體微機(jī)械加工第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)1)干法刻蝕干法刻蝕是利用高能束或某些氣體對(duì)基體進(jìn)行去除材料的加工，被刻蝕表面粗糙度較低，刻蝕效果好，但對(duì)工藝條件要求較高，加工方式可分為濺射加工和直寫(xiě)加工，加工工藝主要包括離子束刻蝕和激光刻蝕。①離子束刻蝕離子刻蝕也稱(chēng)濺射刻蝕或去除加工。離子束刻蝕又分為聚焦離子束刻蝕和反應(yīng)離子束刻蝕。②激光刻蝕利用激光對(duì)氣相或液相物質(zhì)的良好的透光性第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)1)干法刻蝕第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)2)濕法刻蝕濕法刻蝕工藝是通過(guò)化學(xué)刻蝕液和被刻蝕物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)，將被刻蝕物質(zhì)剝離下來(lái)，包括各向同性與各向異性刻蝕。各向同性刻蝕是在任何方向上刻蝕速度均等的加工；而各向異性刻蝕則是與被刻蝕晶片的結(jié)構(gòu)方向有關(guān)的一種刻蝕方法，它在特定方向上刻蝕速度大，其它方向上幾乎不發(fā)生刻蝕。第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)2)濕法刻蝕第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)表面微機(jī)械加工技術(shù)表面微機(jī)械加工技術(shù)就是利用集成電路中的平面化制造技術(shù)來(lái)制造微機(jī)械裝置。標(biāo)準(zhǔn)的工藝流程包括:首先在單晶硅基片上交替沉積一層低應(yīng)力的多晶硅層和一層用于刻蝕的氧化硅層，形成一個(gè)復(fù)雜的加工層，然后再對(duì)這個(gè)加工層進(jìn)行光刻摹制，最后用氫氟酸對(duì)氧化硅進(jìn)行蝕刻顯影。第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)表面微機(jī)械加工技術(shù)第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)犧牲層技術(shù)是表面微機(jī)械加工技術(shù)的一種重要工藝。犧牲層技術(shù)也叫分離層技術(shù)。U.C.Berkeley采用表面犧牲層工藝制備的世界上第一個(gè)MEMS器件－微型靜電馬達(dá)采用五層多晶硅工藝制備的微型傳動(dòng)結(jié)構(gòu)第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)犧牲層技術(shù)是表面微機(jī)械加工技第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)2.光刻技術(shù)光刻（Photolithography）也稱(chēng)照相平版印刷（術(shù)），它源于微電子的集成電路制造，是在微機(jī)械制造領(lǐng)域應(yīng)用較早并仍被廣泛采用且不斷發(fā)展的一類(lèi)微細(xì)加工方法。光刻是加工制作半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或器件和集成電路微圖形結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵工藝技術(shù)，其原理與印刷技術(shù)中的照相制版相似：在硅等基體材料上涂覆光致抗蝕劑（或稱(chēng)為光刻膠），然后用高極限分辨率的能量束通過(guò)掩模對(duì)光致蝕層進(jìn)行曝光（或稱(chēng)光刻）；經(jīng)顯影后，在抗蝕劑層上獲得了與掩模圖形相同的細(xì)微的幾何圖形。再利用刻蝕等方法，在基底或被加工材料上制造出微型結(jié)構(gòu)。第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)2.光刻技術(shù)第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)(1)光學(xué)光刻光學(xué)光刻的原理與印像片相同，只是用涂覆了感光膠(抗蝕劑)的硅片取代了相紙，掩模版取代了底片。光學(xué)光刻存在著極限分辨率較低和焦深不足兩大問(wèn)題。UV光光學(xué)光刻工藝母板掩膜光刻膠SiO2光刻膠SiO2第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)(1)光學(xué)光刻UV光光學(xué)光第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)(2)電子束光刻電子束光刻與傳統(tǒng)意義的光刻(區(qū)域曝光)加工不同，是用束線(xiàn)刻蝕進(jìn)行圖形的加工。電子束光刻的主要缺點(diǎn)在于產(chǎn)出量，加工過(guò)程較慢，不能用于制造大多數(shù)集成電路。第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)(2)電子束光刻第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)(3)離子束光刻用離子束進(jìn)行抗蝕劑的曝光始于80年代液態(tài)金屬離子源的出現(xiàn)。離子束曝光在集成電路工業(yè)中主要用于光學(xué)掩模的修補(bǔ)和集成電路芯片的修復(fù)。離子束投影光刻的主要優(yōu)點(diǎn)有:可采用分布重復(fù)投影結(jié)構(gòu)，可利用光學(xué)抗蝕劑進(jìn)行立體曝光，對(duì)抗蝕劑厚度或基底材料不敏感；可與光學(xué)光刻混合使用；焦深大，使用極小的NA就足以使離子光學(xué)鏡頭實(shí)現(xiàn)25mm×37mm的整片芯片曝光，衍射效應(yīng)可忽略。離子束光刻的主要缺點(diǎn)有:離子束需要在真空下工作，硅片和掩模操作不方便；離子束是帶電粒子，由于空間電荷使圖形的清晰程度和圖形位置精度受限；離子束可使下層基底受損。第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)(3)離子束光刻第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)(4)X射線(xiàn)光刻光學(xué)曝光所能達(dá)到的極限分辨力與工作波長(zhǎng)成正比，與透鏡的數(shù)值孔徑成反比。目前，曝光波長(zhǎng)的進(jìn)一步縮短和數(shù)值孔徑的增大都受材料、光刻工藝等因素的限制，因而必須尋求新的技術(shù)方案。由于X射線(xiàn)的波長(zhǎng)很短，能滿(mǎn)足超大規(guī)模集成電路發(fā)展的需要，近年來(lái)得到了廣泛的重視。第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)(4)X射線(xiàn)光刻第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)3.外延技術(shù)外延生長(zhǎng)是微機(jī)械加工的重要手段之一，它的特點(diǎn)是生長(zhǎng)的外延層能保持與襯底相同的晶向，因而在外延層上可以進(jìn)行各種橫向與縱向的摻雜分布與腐蝕加工，以制得各種形狀。外延形成埋藏的終止層第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)3.外延技術(shù)外延形成埋藏的終第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)4.LIGA技術(shù)LIGA是德文的平版印刷術(shù)Lithographie，電鑄成形Galvanoformung和注塑(模塑）Abformung的縮寫(xiě)。LIGA技術(shù)如圖7-29所示，主要包括以下幾個(gè)工藝過(guò)程：同步輻射X射線(xiàn)深層光刻電鑄成形注塑第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)4.LIGA技術(shù)第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)b)組裝后的電磁驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)的SEM照片，由犧牲層和LIGA技術(shù)獲得，轉(zhuǎn)子直徑為150m，三個(gè)齒輪的直徑分別為77m,100m和150ma)LIGA工藝得到的三個(gè)鎳材料的微型齒輪，每個(gè)齒輪高100mLIGA工藝形成的微齒輪與微馬達(dá)第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)b)組裝后的電磁驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)LIGA工藝有以下主要特點(diǎn):它的產(chǎn)品可具有很大的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因而堅(jiān)固耐用，實(shí)用性強(qiáng)；LIGA產(chǎn)品可以用多種材料制備，例如:金屬、陶瓷、聚合物等；可以直接生產(chǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)(包括運(yùn)動(dòng)部件)，并同時(shí)具有電路制作能力，便于制成機(jī)電一體化的產(chǎn)品；可以獲得亞微米精度的微結(jié)構(gòu)；便于批量生產(chǎn)(在基底片上可一次生產(chǎn)上千個(gè)部件)和大規(guī)模復(fù)制，因而成本低，價(jià)格便宜。準(zhǔn)LIGA技術(shù)第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)LIGA工藝有以下主要特點(diǎn):第三節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)5.微機(jī)械裝配與集成⑴堆裝技術(shù)堆裝技術(shù)是指利用各種連接技術(shù)把具有平面型微結(jié)構(gòu)的若干單元件重疊在一起，組成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維微機(jī)械的一種微機(jī)械制造方法。連接方式連接溫度(C0)原理及方法適用對(duì)象冷焊20在不加熱狀態(tài)下，對(duì)工件連接處施加足夠的壓力以形成接頭適用于多種材料粘結(jié)50-150利用粘接劑使同種或異種材料的表面粘接在一起適用于多種材料釬焊230加熱時(shí)，釬料熔化并濕潤(rùn)被焊材料的表面，借助于毛細(xì)管作用使液態(tài)釬料填充工件間隙，從而使工件連接起來(lái)適用于多種材料陰極連接250-500給玻璃加以幾百伏負(fù)電壓，在兩層材料之間產(chǎn)生了巨大的靜電引力所形成的共價(jià)鍵將不同材料連接起來(lái)硼硅耐燒玻璃與硅玻璃連接的理想方法直接連接1000在高溫下的無(wú)中間層的連接硅與硅，硅與砷化鎵，硅與碳化硅連接玻璃熔接400-500連接件之間