微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)課件

1、微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),1,第七章 先進(jìn)制造技術(shù),微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),2,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),微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),3,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)常被稱作微型機(jī)電系統(tǒng)（Microelectromechanical System, MEMS）；在日本稱作微機(jī)器（Micromachine）；而在歐洲則稱作微系統(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。,微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),4,第三節(jié) 微機(jī)械

2、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。,微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),5,第三節(jié) 微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),一些典型的微機(jī)械產(chǎn)品,微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),6,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。 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-fabricati

3、on)，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。,微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),7,第三節(jié) 微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),從基本加工類型看，微細(xì)加工可大致分四類: 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。,微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),8,第三節(jié) 微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),不同形式的微細(xì)加工方法,微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),9,第三節(jié) 微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),微

4、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,微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),10,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)（Micromachining technology ）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??； 由于微機(jī)械對(duì)象的微小性和脆弱性，僅僅依靠控制和重復(fù)宏觀的加工相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡

5、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。,微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),11,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),微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),12,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

6、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,微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),13,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加工，加工工藝主要包括離子束刻蝕和激光刻蝕。 離子束刻蝕 離子刻蝕也稱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。 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,微機(jī)械

7、及其微細(xì)加工技術(shù),14,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。,微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),15,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

8、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。,微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),16,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)。,微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),17,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（或稱為光刻膠），然

9、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)。,微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),18,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。,微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),19,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

10、過(guò)程較慢，不能用于制造大多數(shù)集成電路。,微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),20,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)25mm37mm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

11、清晰程度和圖形位置精度受限； 離子束可使下層基底受損。,微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),21,第三節(jié) 微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),(4) X射線光刻 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射線的波長(zhǎng)很短，能滿足超大規(guī)模集成電路發(fā)展的需要，近年來(lái)得到了廣泛的重視。,微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),22,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

12、蝕加工，以制得各種形狀。,外延形成埋藏的終止層,微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),23,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。 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射線深層光刻 電鑄成形 注塑,微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),24,第三節(jié) 微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),25,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，

13、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),微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),26,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 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。,主要的連接方法,微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),27,第三節(jié) 微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù), 封裝技術(shù) 沒(méi)有封裝的微器件無(wú)法使用。目前主要有以下封裝技術(shù)： 玻璃搪瓷封裝 玻璃和氧化中間層的硅封裝 金屬低共熔封裝 有機(jī)物封裝 場(chǎng)助熱焊接,微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),28,第三節(jié) 微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),三、 典型微電子機(jī)械系統(tǒng)裝置 1.集成機(jī)構(gòu) 集成機(jī)構(gòu)IM是完整的微型電子機(jī)械系統(tǒng)的最簡(jiǎn)單的一種存在模式。在一塊集成板上將微電子和微機(jī)械技術(shù)的功能與結(jié)構(gòu)巧妙地結(jié)合可以形成集成機(jī)構(gòu)。,微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù),29,第三節(jié) 微機(jī)械及其微細(xì)加工