微機械及其微細加工技術課件

1、微機械及其微細加工技術,1,第七章 先進制造技術,微機械及其微細加工技術,2,第七章 先進制造技術,第一節(jié) 快速成形制造技術 第二節(jié) 精密超精密加工技術 第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,微機械及其微細加工技術,3,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,一、 簡介 微機械在美國常被稱作微型機電系統(tǒng)（Microelectromechanical System, MEMS）；在日本稱作微機器（Micromachine）；而在歐洲則稱作微系統(tǒng)（Microsystem）。按外形尺寸，微機械可劃分為110mm的微小型機械,1m1mm的微機械，以及1nm1m的納米機械。,微機械及其微細加工技術,4,第三節(jié) 微機械

2、及其微細加工技術,微機械具有以下幾個基本特點： 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。,微機械及其微細加工技術,5,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,一些典型的微機械產(chǎn)品,微機械及其微細加工技術,6,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,二、微細加工技術 微細加工（Microfabrication）起源于半導體制造工藝，原來指加工尺度約在微米級范圍的加工方式。在微機械研究領域中，它是微米級，亞微米級乃至毫微米級微細加工的通稱。 制造微機械常采用的微細加工又可以進一步分為微米級微細加工(Micro-fabricati

3、on)，亞微米級微細加工(Sub-micro-fabrication)和納米級微細加工(Nano-fabrication)等。 廣義上的微細加工技術，幾乎涉及了各種現(xiàn)代特種加工、高能束等加工方式。,微機械及其微細加工技術,7,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,從基本加工類型看，微細加工可大致分四類: 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。,微機械及其微細加工技術,8,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,不同形式的微細加工方法,微機械及其微細加工技術,9,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,微

4、機械微細加工并不僅限于微電子(Microelectronics)制造技術，更重要的是指微機械構(gòu)件的加工(英文多為Micromachining)或微機械與微電子、微光學等的集成結(jié)構(gòu)的制作技術。目前，微機械微細加工常用的有光刻制版、高能束刻蝕、LIGA、準LIGA等方法。,微細加工得到的鐵塔微模型,微機械及其微細加工技術,10,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,微機械的 微細加工技術（Micromachining technology ）有以下特點： 從加工對象上看，微細加工不但加工尺度極小，而且被加工對象的整體尺寸也很微小； 由于微機械對象的微小性和脆弱性，僅僅依靠控制和重復宏觀的加工相對運動軌跡

5、達到加工目的，已經(jīng)很不現(xiàn)實。必須針對不同對象和加工要求，具體考慮不同的加工方法和手段； 微細加工在加工目的、加工設備、制造環(huán)境、材料選擇與處理、測量方法和儀器等方面都有其特殊要求。,微機械及其微細加工技術,11,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,1、硅微加工技術 硅是最基本的微機械加工材料，微細加工技術一般都要涉及硅材料。 硅微細加工技術所用的典型加工工藝為：去除(刻蝕、激光加工、機械鉆孔等)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),微機械及其微細加工技術,12,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,體微機械加工技術 體微機械加工工藝是針對整塊材

6、料如單晶硅基片通過刻蝕（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。在體微機械加工技術中，關鍵的步驟是刻蝕工藝?？涛g工藝分為干法刻蝕和濕法刻蝕。,體微機械加工工藝,微機械及其微細加工技術,13,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,1)干法刻蝕 干法刻蝕是利用高能束或某些氣體對基體進行去除材料的加工，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離子束刻蝕。 激光刻蝕 利用激光對氣相或液相物質(zhì)的良好的透光性,微機械

7、及其微細加工技術,14,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,2)濕法刻蝕 濕法刻蝕工藝是通過化學刻蝕液和被刻蝕物質(zhì)之間的化學反應，將被刻蝕物質(zhì)剝離下來，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。,微機械及其微細加工技術,15,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,表面微機械加工技術 表面微機械加工技術就是利用集成電路中的平面化制造技術來制造微機械裝置。 標準的工藝流程包括:首先在單晶硅基片上交替沉積一層低應力的多晶硅層和一層用于刻蝕的氧化硅層，形成一個復雜的加

8、工層，然后再對這個加工層進行光刻摹制，最后用氫氟酸對氧化硅進行蝕刻顯影。,微機械及其微細加工技術,16,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,犧牲層技術是表面微機械加工技術的一種重要工藝。犧牲層技術也叫分離層技術。,微機械及其微細加工技術,17,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,2.光刻技術 光刻（Photolithography）也稱照相平版印刷（術），它源于微電子的集成電路制造，是在微機械制造領域應用較早并仍被廣泛采用且不斷發(fā)展的一類微細加工方法。 光刻是加工制作半導體結(jié)構(gòu)或器件和集成電路微圖形結(jié)構(gòu)的關鍵工藝技術，其原理與印刷技術中的照相制版相似：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掩模對光致蝕層進行曝光（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)。,微機械及其微細加工技術,18,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,(1) 光學光刻 光學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。 光學光刻存在著極限分辨率較低和焦深不足兩大問題。,微機械及其微細加工技術,19,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,(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，是用束線刻蝕進行圖形的加工。 電子束光刻的主要缺點在于產(chǎn)出量，加工

10、過程較慢，不能用于制造大多數(shù)集成電路。,微機械及其微細加工技術,20,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,(3) 離子束光刻 用離子束進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)中主要用于光學掩模的修補和集成電路芯片的修復。 離子束投影光刻的主要優(yōu)點有: 可采用分布重復投影結(jié)構(gòu)，可利用光學抗蝕劑進行立體曝光，對抗蝕劑厚度或基底材料不敏感； 可與光學光刻混合使用； 焦深大，使用極小的NA就足以使離子光學鏡頭實現(xiàn)25mm37mm的整片芯片曝光，衍射效應可忽略。 離子束光刻的主要缺點有: 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。,微機械及其微細加工技術,21,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,(4) X射線光刻 光學曝光所能達到的極限分辨力與工作波長成正比，與透鏡的數(shù)值孔徑成反比。目前，曝光波長的進一步縮短和數(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方案。 由于X射線的波長很短，能滿足超大規(guī)模集成電路發(fā)展的需要，近年來得到了廣泛的重視。,微機械及其微細加工技術,22,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,3.外延技術 外延生長是微機械加工的重要手段之一，它的特點是生長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,微機械及其微細加工技術,23,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,4.LIGA技術 LIGA是德文的平版印刷術 Lithographie，電鑄成形Galvanoformung和注塑(模塑）Abformung的縮寫。 LIGA技術如圖7-29所示，主要包括以下幾個工藝過程： 同步輻射X射線深層光刻 電鑄成形 注塑,微機械及其微細加工技術,24,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,微機械及其微細加工技術,25,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,LIGA工藝有以下主要特點: 它的產(chǎn)品可具有很大的結(jié)構(gòu)強度，因而堅固耐用，實用性強； 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)復合結(jié)構(gòu)(包括運動部件)，并同時具有電路制作能力，便于制成機電一體化的產(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)上千個部件)和大規(guī)模復制，因而成本低，價格便宜。 準LIGA技術,微機械及其微細加工技術,26,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,5.微機械裝配與集成 堆裝技術 堆裝技術是指利用各種連接技術把具有平面型微結(jié)構(gòu)的若干單元件重疊在一起，組成具有復雜結(jié)構(gòu)的三維微機械的一種微機械制造方法。,主要的連接方法,微機械及其微細加工技術,27,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術, 封裝技術 沒有封裝的微器件無法使用。目前主要有以下封裝技術： 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 有機物封裝 場助熱焊接,微機械及其微細加工技術,28,第三節(jié) 微機械及其微細加工技術,三、 典型微電子機械系統(tǒng)裝置 1.集成機構(gòu) 集成機構(gòu)IM是完整的微型電子機械系統(tǒng)的最簡單的一種存在模式。在一塊集成板上將微電子和微機械技術的功能與結(jié)構(gòu)巧妙地結(jié)合可以形成集成機構(gòu)。,微機械及其微細加工技術,29,第三節(jié) 微機械及其微細加工