微細(xì)加工技術(shù)概述學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1微細(xì)加工微細(xì)加工(ji gng)技術(shù)概述技術(shù)概述第一頁(yè)，共58頁(yè)。一、微細(xì)(wix)加工技術(shù)的出現(xiàn)制造技術(shù)是直接創(chuàng)造財(cái)富的基礎(chǔ)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)(gumnjngj)得以發(fā)展和制造業(yè)本身賴以生存的主體技術(shù)。微細(xì)加工(ji gng)技術(shù)是制造微小尺寸零件的加工(ji gng)技術(shù)。現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展有兩大趨勢(shì)：一是向著自動(dòng)化、柔性化、集成化、智能化等方向發(fā)展，使現(xiàn)代制造成為一個(gè)系統(tǒng)，即現(xiàn)代制造系統(tǒng)的自動(dòng)化技術(shù)；另一個(gè)就是尋求固有制造技術(shù)的自身加工極限。第1頁(yè)/共57頁(yè)第二頁(yè)，共58頁(yè)。微小(wixio)機(jī)械學(xué)發(fā)展 微機(jī)械或微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來(lái)(q li)的一門

2、新興學(xué)科。它給國(guó)民經(jīng)濟(jì)、人民生活和國(guó)防、軍事等帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響，被列為21世紀(jì)關(guān)鍵技術(shù)之一。第2頁(yè)/共57頁(yè)第三頁(yè)，共58頁(yè)。 隨著微/納米科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，以形狀尺寸微小或操作尺度極小為特征的微機(jī)械已成為人們?cè)谖⒂^領(lǐng)域認(rèn)識(shí)和改造客觀世界的一種高新技術(shù)。 微機(jī)械由于具有能夠在狹小空間內(nèi)進(jìn)行作業(yè)(zuy)而又不擾亂工作環(huán)境和對(duì)象的特點(diǎn)，在航空航天、精密儀器、生物醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用潛力，受到世界各國(guó)的高度重視。 微小(wixio)機(jī)械學(xué)發(fā)展 第3頁(yè)/共57頁(yè)第四頁(yè)，共58頁(yè)。微機(jī)械(jxi)涉及的基本技術(shù)主要有：微機(jī)械(jxi)設(shè)計(jì)；微機(jī)械(jxi)材料；微細(xì)加工；集成技術(shù)；微裝配和封接；微

3、測(cè)量；微能源；微系統(tǒng)控制等。微機(jī)械(jxi)的制造和生產(chǎn)離不開微細(xì)加工技術(shù)。 微小(wixio)機(jī)械學(xué)發(fā)展 第4頁(yè)/共57頁(yè)第五頁(yè)，共58頁(yè)。傳統(tǒng)(chuntng)機(jī)械納米(n m)機(jī)械微小型機(jī)械傳統(tǒng)制造技術(shù)微細(xì)制造技術(shù)MEMS技術(shù)納米制造技術(shù)第5頁(yè)/共57頁(yè)第六頁(yè)，共58頁(yè)。 二、微細(xì)加工的概念(ginin)及其特點(diǎn) 微細(xì)加工技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展一方面是加工技術(shù)自身發(fā)展的必然，同時(shí)也是新興的微型機(jī)械技術(shù)發(fā)展對(duì)加工技術(shù)需求的促進(jìn)。超精加工在20世紀(jì)的科技發(fā)展中做出了巨大的貢獻(xiàn)。東京工業(yè)大學(xué)(dxu)的谷口紀(jì)男教授首先提出了納米技術(shù)術(shù)語(yǔ)，明確提出以納米精度為超精密加工的奮斗目標(biāo)。第6頁(yè)/共57頁(yè)第七

4、頁(yè)，共58頁(yè)。 微細(xì)加工(ji gng)的概念所謂微細(xì)加工技術(shù)就是指能夠制造微小尺寸零件的加工技術(shù)的總稱。廣義地講，微細(xì)加工技術(shù)包含了各種傳統(tǒng)精密加工方法和與其原理截然不同的新方法，如微細(xì)切削磨料加工、微細(xì)特種加工、半導(dǎo)體工藝等；狹義地講，微細(xì)加工技術(shù)是在半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)的基礎(chǔ)(jch)上發(fā)展起來(lái)的，微細(xì)加工技術(shù)主要是指半導(dǎo)體集成電路的微細(xì)制造技術(shù)，如氣相沉積、熱氧化、光刻、離子束濺射、真空蒸鍍等。第7頁(yè)/共57頁(yè)第八頁(yè)，共58頁(yè)。 微細(xì)(wix)加工的概念目前微細(xì)加工領(lǐng)域的幾大流派：以美國(guó)為代表的硅基MEMS技術(shù)以德國(guó)為代表的LIGA技術(shù)以日本為代表的機(jī)械加工方法的微細(xì)化他們的研究與應(yīng)

5、用情況(qngkung)基本代表了國(guó)際微細(xì)加工的水平和方向，應(yīng)密切關(guān)注。第8頁(yè)/共57頁(yè)第九頁(yè)，共58頁(yè)。微細(xì)加工與常規(guī)尺寸的加工的機(jī)理是截然不同的。微細(xì)加工與一般尺度加工的主要區(qū)別體現(xiàn)在：1. 加工精度的表示方法不同。在一般尺度加工中，加工精度常用相對(duì)精度表示；而在微細(xì)加工中，其加工精度則用絕對(duì)精度表示。加工單位概念的引入。2. 加工機(jī)理存在很大的差異。由于在微細(xì)加工中加工單位的急劇減小，此時(shí)(c sh)必須考慮晶粒在加工中的作用。3.加工特征明顯不同。一般加工以尺寸、形狀、位置精度為特征；微細(xì)加工則由于其加工對(duì)象的微小型化，目前多以分離或結(jié)合原子、分子為特征。 微細(xì)(wix)加工的概念第9

6、頁(yè)/共57頁(yè)第十頁(yè)，共58頁(yè)。微細(xì)加工作為精密加工領(lǐng)域中的一個(gè)極重要的關(guān)鍵技術(shù)，目前有如下的幾個(gè)特點(diǎn)：1. 微細(xì)加工和超微細(xì)加工是多學(xué)科的制造系統(tǒng)工程；2. 微細(xì)加工和超微細(xì)加工是多學(xué)科的綜合高新技術(shù)(o xn j sh)；3. 平面工藝是微細(xì)加工的工藝基礎(chǔ)；4. 微細(xì)加工技術(shù)和精密加工技術(shù)互補(bǔ)；5. 微細(xì)加工和超微細(xì)加工與自動(dòng)化技術(shù)聯(lián)系緊密；6.微細(xì)加工檢測(cè)一體化。 微細(xì)(wix)加工的特點(diǎn)第10頁(yè)/共57頁(yè)第十一頁(yè)，共58頁(yè)。三、微細(xì)加工(ji gng)機(jī)理 微細(xì)切削加工為微量切削，又可稱之為極薄切削。機(jī)理與一般普通切削有的很大區(qū)別。 在微細(xì)切削時(shí)，由于(yuy)工件尺寸很小，從強(qiáng)度和剛度

7、上不允許有大的吃刀量，同時(shí)為保證工件尺寸精度的要求，最終精加工的表面切除層厚度必須小于其精度值，因此切屑極小，吃刀量可能小于晶粒的大小，切削就在晶粒內(nèi)進(jìn)行，晶粒就被作為一個(gè)一個(gè)的不連續(xù)體來(lái)進(jìn)行切削，這時(shí)切削不是晶粒之間的破壞，切削力一定要超過晶體內(nèi)部非常大的原子、分子結(jié)合力，刀刃上所承受的切應(yīng)力就急速地增加。第11頁(yè)/共57頁(yè)第十二頁(yè)，共58頁(yè)。微細(xì)加工(ji gng)機(jī)理 1切削(qixio)厚度與材料剪切應(yīng)力關(guān)系在 微 切 削 ( q i x i o ) 時(shí) ， 切 削(qixio)往往在晶粒內(nèi)進(jìn)行，切削(qixio)力一定要超過晶體內(nèi)部的分子、原子結(jié)合力，其單位面積的切削(qixio)阻

8、力(Nmm2)急劇增大，刀刃上所承受的剪切應(yīng)力變得非常大，從而在單位面積上會(huì)產(chǎn)生很大的熱量，使刀刃尖端局部區(qū)域的溫度極高，因此要求采用耐熱性高、高溫硬度高、耐磨性強(qiáng)、高溫強(qiáng)度好的刀刃材料，即超高硬度材料，最常用的是金剛石等。 第12頁(yè)/共57頁(yè)第十三頁(yè)，共58頁(yè)。微細(xì)加工(ji gng)機(jī)理 2材料缺陷分布的影響材料微觀缺陷分布或材質(zhì)不均勻性，可以歸納為以下幾種情況：1)晶格原子(yunz)(10-6mm) 在晶格原子(yunz)空間的破壞就是把原子(yunz)一個(gè)個(gè)去除。2)點(diǎn)缺陷(10-610-4mm) 點(diǎn)缺陷就是在晶粒結(jié)構(gòu)中存在著空位和填隙 原子(yunz)。點(diǎn)缺陷空間的破壞就是以點(diǎn)缺陷

9、為起點(diǎn)來(lái)增加晶格缺陷的破壞。3)位錯(cuò)缺陷(10-410-2mm) 位錯(cuò)缺陷就是晶格位移和微裂紋，它在晶體中呈連續(xù)的線狀分布，故又稱為線缺陷。在晶體內(nèi)部，一般情況下大約1m左右的間隔內(nèi)就有一個(gè)位錯(cuò)缺陷。4)晶界、空隙和裂紋(10-21mm) 它們的破壞是以缺陷面為基礎(chǔ)的晶粒間破壞。5)缺口(1mm以上) 缺口空間的破壞是由于拉應(yīng)力集中而引起的破壞。在微切削去除時(shí)，當(dāng)應(yīng)力作用的區(qū)域在某個(gè)缺陷空間范圍內(nèi)，則將以與該區(qū)域相應(yīng)的破壞方式而破壞。各種破壞方式所需的加工能量也是不同的。第13頁(yè)/共57頁(yè)第十四頁(yè)，共58頁(yè)。微細(xì)加工(ji gng)機(jī)理 第14頁(yè)/共57頁(yè)第十五頁(yè)，共58頁(yè)。不同微細(xì)加工方法(

10、fngf)的加工機(jī)理根據(jù)各種方法的加工機(jī)理的不同，微細(xì)加工可大致分為3大類：分離加工將材料的某一部分分離出去的加工方式，如切削、分解、刻蝕、濺射等。大致可分為切削加工、磨料加工、特種加工及復(fù)合加工等。結(jié)合加工同種或不同種材料的附加或相互結(jié)合的加工方式，如蒸鍍、沉積、生長(zhǎng)、滲入等?？煞譃楦街?fzhu)、注入和接合三類。附著(fzhu)是指在材料基體上附加一層材料；注入是指材料表層經(jīng)處理后產(chǎn)生物理、化學(xué)、力學(xué)性能的改變，也可稱之為表面改性；接合則是指焊接、粘接等。變形加工使材料形狀發(fā)生改變的加工方式，如塑性變形加工、流體變形加工等。第15頁(yè)/共57頁(yè)第十六頁(yè)，共58頁(yè)。四、高能束流微細(xì)(wix)

11、特種加工技術(shù) 高能束流加工(ji gng)是利用能量密度很高的電子束、激光束或離子束等去除工件材料的特種加工(ji gng)方法的總稱。 高能(gonng)束流第16頁(yè)/共57頁(yè)第十七頁(yè)，共58頁(yè)。高能束流微細(xì)特種(tzhng)加工技術(shù) 特點(diǎn)與應(yīng)用：屬于非接觸加工，無(wú)成形工具，而且(r qi)幾乎可以加工任何材料，在精微加工、航空航天、電子、化工等領(lǐng)域中應(yīng)用極廣。多學(xué)科交叉：其研究?jī)?nèi)容極為豐富，涉及光學(xué)、電學(xué)、熱力學(xué)、冶金學(xué)、金屬物理、流體力學(xué)、材料科學(xué)、真空學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等多種學(xué)科，是一種典型的多學(xué)科交叉技術(shù)。 第17頁(yè)/共57頁(yè)第十八頁(yè)，共58頁(yè)。電子束加工原理(yu

12、nl)1-工件 2-電子束 3-偏轉(zhuǎn)線圈 4-電磁透鏡電子束加工的原理電子束加工是在真空條件下，利用聚焦后能量密度極高(106109W/cm2)的電子束，以極高的速度沖擊到工件表面極小的面積上，在很短的時(shí)間(幾分之一微秒)內(nèi)，其能量的大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽贡粵_擊部分的工件材料達(dá)到幾千攝氏度以上的高溫，從而(cng r)引起材料的局部熔化和氣化，被真空系統(tǒng)抽走。第18頁(yè)/共57頁(yè)第十九頁(yè)，共58頁(yè)。電子束微細(xì)(wix)加工的特點(diǎn)1)束徑小、能量密度高。能聚焦到，功率密度可達(dá) 109Wcm2量級(jí)。2)可加工材料的范圍廣。對(duì)非加工部分的熱影響小，對(duì)脆性、韌性、導(dǎo)體、非導(dǎo)體及半導(dǎo)體材料都可加工。3)加工

13、效率高。每秒鐘可以在厚的鋼板上鉆50個(gè)直徑為的孔。4)控制性能好。5)電子束加工溫度容易(rngy)控制。6)污染小。 電于束加工的缺點(diǎn)是必須在真空中進(jìn)行，需要一整套專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格較貴。 第19頁(yè)/共57頁(yè)第二十頁(yè)，共58頁(yè)。電子束加工(ji gng)裝置1、工作臺(tái)系統(tǒng) 2、偏轉(zhuǎn)線圈 3、電磁透鏡 4、光闌 5、加速陽(yáng)極 6、發(fā)射電子的陰極(ynj) 7、控制柵極 8、光學(xué)觀察系統(tǒng) 9、帶窗真空室門 10、工件電子束加工裝置主要由電子槍、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分組成(z chn)。 陰極經(jīng)電流加熱發(fā)射電子，帶負(fù)電荷的電子高速飛向陽(yáng)極，在飛向陽(yáng)極的過程中，經(jīng)過加速極加速，又通過電

14、磁透鏡聚焦而在工件表面形成很小的電子束束斑，完成加工任務(wù)。 第20頁(yè)/共57頁(yè)第二十一頁(yè)，共58頁(yè)。1)電子槍電子槍是獲得電子束的裝置。它主要包括電子發(fā)射陰極、控制柵極和加速陽(yáng)極等。發(fā)射陰極一般用鎢或鉭制成。小功率時(shí)用鎢或鉭做成絲狀陰極；大功率時(shí)用鉭做成塊狀陰極?？刂茤艠O為中間有孔的圓筒形，其上加以較陰極為負(fù)的偏壓，既能控制電子束的強(qiáng)弱，又有初步的聚焦作用。加速陽(yáng)極通常接地，而陰極接很高的負(fù)電壓。2)真空系統(tǒng)(xtng)真空系統(tǒng)(xtng)是為了保證在電子束加工時(shí)維持(10-210-4)Pa的真空度。因?yàn)橹挥性诟哒婵罩?，電子才能高速運(yùn)動(dòng)。3)控制系統(tǒng)(xtng)和電源電子束加工裝置的控制系統(tǒng)(

15、xtng)包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流強(qiáng)度控制以及工作臺(tái)位移控制等。 電子槍1、發(fā)射電子的陰極 2、控制柵極 3、加速陽(yáng)極(yngj) 4、工件電子束加工(ji gng)裝置第21頁(yè)/共57頁(yè)第二十二頁(yè)，共58頁(yè)。 根據(jù)其功率密度和能量注入時(shí)間的不同，電子束加工可用于打孔、切割、蝕刻、焊接、熱處理和光刻加工等。歸納起來(lái)，電子束在微細(xì)加工領(lǐng)域中的應(yīng)用(yngyng)分為兩大類：電子束熱微細(xì)加工和電子束化學(xué)微細(xì)加工。 化學(xué)微細(xì)加工熱微細(xì)加工電子束微細(xì)加工分離加工焊接鍍膜摻雜退火電子束打孔電子束切割圖形光刻化學(xué)反應(yīng)鍍膜電子束掃描曝光電子束投影曝光電子束微細(xì)加工的分類電子束微細(xì)加工的分類熔煉電

16、子束微細(xì)加工(ji gng)的應(yīng)用第22頁(yè)/共57頁(yè)第二十三頁(yè)，共58頁(yè)。應(yīng)用(yngyng)一：電子束熱微細(xì)加工 第一類為電子束熱微細(xì)加工，電子束的能量較大(30keV幾百keV)，又稱為高能量密度電子束加工，它是利用電子束的熱效應(yīng)，將電子束的動(dòng)能在材料表面(biomin)轉(zhuǎn)換成熱能而對(duì)材料實(shí)施加工的。第23頁(yè)/共57頁(yè)第二十四頁(yè)，共58頁(yè)。應(yīng)用一：電子束熱微細(xì)(wix)加工 高能量密度電子束加工因工件表面束流斑點(diǎn)的功率密度的不同(b tn)又分為幾種不同(b tn)的加工方法： 1)當(dāng)束流斑點(diǎn)功率密度為(10102)wmm2時(shí)，工件表面不熔化，主要用于電子束熱處理； 2)當(dāng)束流斑點(diǎn)功率密度

17、為(102105)wmm2時(shí)，工件表面熔化，也有少量氣化，主要用于電子束焊接和熔煉； 3)當(dāng)束流斑點(diǎn)的功率密度為(105108)wmm2時(shí)，工件產(chǎn)生氣化，主要用于電子束打孔、刻槽、切縫、鍍膜和雕刻。第24頁(yè)/共57頁(yè)第二十五頁(yè)，共58頁(yè)。電子束打孔(d kn)目前電子束打孔的最小直徑已經(jīng)可達(dá)左右，而且還能進(jìn)行深小孔加工，如孔徑在時(shí)，其最大孔深已超過10mm，即孔的深徑比大于15：1。與其它微孔加工方法相比，電子束的打孔效率極高，通常每秒可加工幾十至幾萬(wàn)個(gè)孔。利用電子束打孔速度快的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)在薄板零件(ln jin)上快速加工高密度孔，這是電子束微細(xì)加工的一個(gè)非常重要的特點(diǎn)。電子束打孔已在航

18、空航天、電子、化纖以及制革等工業(yè)生產(chǎn)中得到實(shí)際應(yīng)用。 第25頁(yè)/共57頁(yè)第二十六頁(yè)，共58頁(yè)。 利用電子束在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的原理，使電子束在工件內(nèi)部偏轉(zhuǎn)，還可以(ky)利用電子束加工彎孔和曲面。電子束切割(qig)第26頁(yè)/共57頁(yè)第二十七頁(yè)，共58頁(yè)。電子束焊接是利用(lyng)電子束作為熱源的一種焊接工藝，在焊接不同的金屬和高熔點(diǎn)金屬方面顯示了很大的優(yōu)越性，已成為工業(yè)生產(chǎn)中的重要特種工藝之一。 電子束焊接具有以下的工藝特點(diǎn)：(1)焊接深寬比高。(2)焊接速度高，易于實(shí)現(xiàn)高速自動(dòng)化。(3)熱變形小。 (4)焊縫物理性能好。 (5)工藝適應(yīng)性強(qiáng)。 (6)焊接材料范圍廣。電子束微細(xì)(wix)焊接第2

19、7頁(yè)/共57頁(yè)第二十八頁(yè)，共58頁(yè)。 第二類為電子束化學(xué)微細(xì)加工，電子束的能量較小，一般小于30keV，主要用于大規(guī)模集成電路(LSI)和超大規(guī)模集成電路(VLSI)復(fù)雜圖形的制備以及光刻掩膜圖形的制備。 它利用電子束流的非熱效應(yīng)，功率密度較小的電子束流與電子膠(又稱電子抗蝕劑)相互作用，電能轉(zhuǎn)化(zhunhu)為化學(xué)能，產(chǎn)生輻射化學(xué)或物理效應(yīng)，使電子膠的分子鏈被切斷或重新組合而形成分子量的變化以實(shí)現(xiàn)電子束曝光。包括電子束掃描曝光和電子束投影曝光。 電子束曝光微細(xì)加工技術(shù)，已經(jīng)成為生產(chǎn)集成電路元件的關(guān)鍵性加工手段。應(yīng)用(yngyng)二：電子束化學(xué)微細(xì)加工第28頁(yè)/共57頁(yè)第二十九頁(yè)，共58頁(yè)

20、。 目前(mqin)微細(xì)加工中采用的曝光技術(shù)主要有電子束曝光技術(shù)、離子束曝光技術(shù)、X射線曝光技術(shù)、準(zhǔn)分子激光曝光技術(shù)等。 其中： 離子束曝光技術(shù)具有最高的分辨率； 紫外準(zhǔn)分子激光曝光技術(shù)具有最佳的經(jīng)濟(jì)性； 電子束曝光技術(shù)則代表了最成熟的亞微米級(jí)曝光技術(shù)。電子束曝光(bo gung)微細(xì)加工技術(shù)第29頁(yè)/共57頁(yè)第三十頁(yè)，共58頁(yè)。 電子束曝光主要分為兩類：掃描電子束曝光，又稱電子束線曝光；投影電子束曝光，又稱電子束面曝光。 電子束掃描是將聚焦到小于1m的電子束斑在大約(5)mm的范圍內(nèi)按程序掃描，可曝光出任意圖形。掃描電子束曝光除了可以直接描畫亞微米圖形之外，還可以制作掩膜，這是其得以迅速發(fā)展

21、的原因之一。 投影電子束曝光的方法是使電子束先通過原版(yunbn)，再按比例縮小投影到電致抗蝕劑上進(jìn)行大規(guī)模集成電路圖形的曝光。它可以在幾毫米見方的硅片上安排十萬(wàn)個(gè)以上晶體管或類似的元件。投影電子束曝光技術(shù)具有高分辨率和生產(chǎn)效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。電子束曝光微細(xì)(wix)加工技術(shù)第30頁(yè)/共57頁(yè)第三十一頁(yè)，共58頁(yè)。中科院電工(dingng)研究所于2000年研制的DY-7電子束光刻機(jī)電子束曝光系統(tǒng)制作的“硅表面人工微結(jié)構(gòu)”的PMMA膠圖形，其最小線寬為80nm。 電子束曝光微細(xì)加工(ji gng)技術(shù)第31頁(yè)/共57頁(yè)第三十二頁(yè)，共58頁(yè)。離子束加工是利用離子束對(duì)材料進(jìn)行成形或表面改性的加

22、工方法，其加工原理和電子束加工基本類似，也是在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速聚焦，使之打到工件表面從而對(duì)工件進(jìn)行加工。離子束加工與電子束加工的本質(zhì)區(qū)別在于：在離子束微細(xì)加工時(shí)，加速的物質(zhì)是帶正電(zhngdin)的離子而不是電子，其質(zhì)量比電子大數(shù)千萬(wàn)倍，如氬離子的質(zhì)量是電子的萬(wàn)倍，因此當(dāng)離子被加速到較高速度時(shí)，離子束比電子束具有更大的撞擊動(dòng)能；其次，電子束加工主要是靠熱效應(yīng)進(jìn)行加工，而離子束加工主要是通過離子撞擊工件材料時(shí)引起的破壞、分離或直接將離子注入加工表面等機(jī)械作用進(jìn)行加工。第32頁(yè)/共57頁(yè)第三十三頁(yè)，共58頁(yè)。 離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時(shí)所發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺

23、射效應(yīng)和注入效應(yīng)。 具有一定動(dòng)能的離子斜射到工件材料(靶材)表面時(shí)，可以(ky)將表面的原子撞擊出來(lái)，這就是離子的撞擊效應(yīng)和濺射效應(yīng)。 如果離子能量足夠大并垂直工件表面撞擊時(shí)，離子就會(huì)鉆進(jìn)工件表面，這就是離子的注入效應(yīng)。 離子束加工(ji gng)的原理第33頁(yè)/共57頁(yè)第三十四頁(yè)，共58頁(yè)。離子束加工按照其所利用的物理效應(yīng)相達(dá)到目的的不同，可以分為四類(s li)，即利用離子撞擊和濺射效應(yīng)的離子刻蝕、離子濺射沉積和離子鍍，以及利用注入效應(yīng)的離子注入。 a)離子刻蝕 b)濺射(jin sh)沉積 c)離子鍍 d)離子注入 離子束加工(ji gng)的分類第34頁(yè)/共57頁(yè)第三十五頁(yè)，共58頁(yè)。

24、1)加工精度高，易于精確控制。離子束可以通過電子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行精確的聚焦掃描，其束流密度及離子能量可以精確控制，離子束轟擊材料是逐層去除原子，因此，離子束加工是目前所有特種加工方法中最精密、最微細(xì)的加工方法。2)可加工的材料范圍廣泛。離子束加工是利用力效應(yīng)原理，因此對(duì)脆性(cuxng)材料、半導(dǎo)體材料、高分子材料等均可加工。由于加工是在真空環(huán)境下進(jìn)行的，污染小，故尤其適于加工易氧化的金屬、合金和高純度半導(dǎo)體材料。3)加工表面質(zhì)量高。離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來(lái)實(shí)現(xiàn)的，是一種微觀作用，宏觀壓力很小。4)離子束加工設(shè)備費(fèi)用貴、成本高，加工效率較低。 離子束加工(ji gng)的特點(diǎn)第35頁(yè)

25、/共57頁(yè)第三十六頁(yè)，共58頁(yè)。目前常用的離子束微細(xì)加工技術(shù)主要有：離子束曝光、刻蝕、鍍膜、注入、退火、打孔、切割、凈化等。 離子束曝光又稱為離子束光刻，與電子束曝光技術(shù)相比，離子束曝光技術(shù)具有以下特點(diǎn)：1)離子的質(zhì)量比電子大得多，而離子射線的波長(zhǎng)又比電子射線的波長(zhǎng)短得多，因此離子束曝光比電子束曝光可獲得更高的分辨率；2)離子束曝光靈敏度比電子束曝光靈敏度可高出一到二個(gè)數(shù)量級(jí)，曝光時(shí)間可縮短很多；3)離子束曝光可以制作十分(shfn)精細(xì)的圖形線條；4)離子束可以不用任何有機(jī)抗蝕劑而直接曝光。 離子束微細(xì)(wix)加工方法第36頁(yè)/共57頁(yè)第三十七頁(yè)，共58頁(yè)。離子束刻蝕離子束刻蝕主要分為:離

26、子束濺射刻蝕、反應(yīng)離子束刻蝕 、等離子體刻蝕離子濺射鍍膜:離子濺射鍍膜工藝適用于合金膜和化合物膜等的鍍制。 離子鍍:離子鍍是在真空鍍膜和濺射鍍膜的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)(q li)的一種鍍膜技術(shù)。 離子注入:離子注入是將工件放在離子注入機(jī)的真空靶中，在幾十至幾百千伏的電壓下，把所需元素的離子直接注入工件表面。 離子束微細(xì)加工(ji gng)方法第37頁(yè)/共57頁(yè)第三十八頁(yè)，共58頁(yè)。 離子束加工裝置與電子束加工裝置類似，主要包括離子源、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分。主要的不同點(diǎn)表現(xiàn)在離子源系統(tǒng)。 離子源用以產(chǎn)生離子束流。產(chǎn)生離子束流的基本原理和方法是使原子電離：把氣態(tài)原子電離為等離子體(即正離子數(shù)和

27、負(fù)電子數(shù)相等的混合體)，用一個(gè)相對(duì)于等離子體為負(fù)電位的電極(吸極)，從等離子體中引出離子束流，而后(r hu)使其加速射向工件或靶材。離子束加工(ji gng)裝置第38頁(yè)/共57頁(yè)第三十九頁(yè)，共58頁(yè)。激光作為一種新型光源，它和普通光源的區(qū)別在于發(fā)光的微觀機(jī)制不同。激光的光發(fā)射則是以受激輻射為主，各個(gè)發(fā)光中心發(fā)出的光波都具有相同的頻率、方向、偏振態(tài)和嚴(yán)格的相位關(guān)系。由于這種基本差別，激光具有強(qiáng)度(qingd)或亮度高、單色性好、相干性好和方向性好這些突出優(yōu)點(diǎn)。激光加工主要有以下特點(diǎn):1)加工精度高。2)加工材料范圍廣泛。3)加工性能好。4)加工速度快、熱影響區(qū)小、效率高。第39頁(yè)/共57頁(yè)第

28、四十頁(yè)，共58頁(yè)。第40頁(yè)/共57頁(yè)第四十一頁(yè)，共58頁(yè)。 當(dāng)能量密度(md)極高的激光束照射在加工表面時(shí)，一部分從材料表面反射，一部分透入材料內(nèi)，其光能被吸收，并轉(zhuǎn)換為熱能，是照射區(qū)域的溫度迅速升高、熔化、氣化和熔融濺出而去除材料。 可以說(shuō)，激光加工的機(jī)理是熱效應(yīng)！激光(jgung)加工的機(jī)理第41頁(yè)/共57頁(yè)第四十二頁(yè)，共58頁(yè)。1)激光打孔用透鏡將激光能量聚焦到工件表面的微小區(qū)域上，可使物質(zhì)迅速氣化而成微孔。已廣泛應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)的燃料噴嘴加工、化纖噴絲板噴絲孔、鐘表及儀表中的寶石軸承打孔、金剛石拉絲模加工等方面。激光打孔的效率(xio l)極高，適合于自動(dòng)化連續(xù)加工，加工的孔徑

29、可以小于，深徑比可達(dá)50：1以上。 激光加工(ji gng)方法第42頁(yè)/共57頁(yè)第四十三頁(yè)，共58頁(yè)。YAG激光加工(ji gng)系統(tǒng)加工(ji gng)的25m小孔激光(jgung)加工方法第43頁(yè)/共57頁(yè)第四十四頁(yè)，共58頁(yè)。2)激光切割激光切割的原理與激光打孔基本相同。所不同的是，工件與激光束之間需要相對(duì)移動(dòng)，通過控制二者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)即可切割出不同形狀和尺寸的窄縫與工件。激光切割大都采用重復(fù)(chngf)頻率較高的脈沖激光器或連續(xù)輸出的激光器。但連續(xù)輸出的激光束會(huì)因熱傳導(dǎo)而使切割效率降低，同時(shí)熱影響層也較深。因此，在精密機(jī)械加工中，一般都采用高重復(fù)(chngf)頻率的脈沖激光器。YA

30、G激光器輸出的激光已成功地應(yīng)用于半導(dǎo)體劃片，重復(fù)(chngf)頻率為(520)Hz，劃片速度為(1030)mms，寬度為，成品率達(dá)99以上，比金剛石劃片優(yōu)越得多，可將一平方厘米的硅片切割幾十個(gè)集成電路塊或幾百個(gè)晶體管管芯。激光加工(ji gng)方法第44頁(yè)/共57頁(yè)第四十五頁(yè)，共58頁(yè)。3)激光焊接激光焊接是將激光束直接照射到材料表面，通過激光與材料相互作用，使材料內(nèi)部局部熔化(這一點(diǎn)與激光打孔、切割時(shí)的蒸發(fā)不同)實(shí)現(xiàn)焊接的。激光焊接可分為脈沖激光焊接和連續(xù)激光焊接等；激光焊接按其熱力學(xué)機(jī)制又可分為激光熱傳導(dǎo)焊接和激光深穿透(chun tu)焊接等。激光焊接與常規(guī)焊接方法相比具有如下特點(diǎn)：(

31、1)可對(duì)高熔點(diǎn)、難熔金屬或兩種不同金屬材料進(jìn)行焊接。(2)聚焦光斑小，加熱速度快，作用時(shí)間短，熱影響區(qū)小，熱變形可以忽略。(3)激光焊接屬于非接觸焊接，無(wú)機(jī)械應(yīng)力和機(jī)械變形、能透過透光物質(zhì)對(duì)密封器內(nèi)工件進(jìn)行焊接。(4)激光焊接裝置容易與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，能精確定位，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接。激光(jgung)加工方法第45頁(yè)/共57頁(yè)第四十六頁(yè)，共58頁(yè)。4)激光表面改性利用激光對(duì)材料表面進(jìn)行處理可改變其物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和金相組織，從而改善材料表面的物理、力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)(huxu xngzh)，如硬度、耐磨性、耐疲勞性、耐腐蝕性等，稱為激光表面改性技術(shù)。5)激光存儲(chǔ)利用激光進(jìn)行視頻、音頻、文字材料、計(jì)算機(jī)信息

32、等的存取。激光(jgung)加工方法第46頁(yè)/共57頁(yè)第四十七頁(yè)，共58頁(yè)。激光加工的基本設(shè)備包括激光器、電源、光學(xué)系統(tǒng)及機(jī)械系統(tǒng)等四大部分。激光器目前常用的激光器按激活介質(zhì)的種類可以分為固體激光器和氣體激光器。用于激光加工的固體激光器通常(tngchng)是摻釹釔鋁石榴石激光器(簡(jiǎn)稱Nd:YAG激光器)、釹玻璃激光器和紅寶石激光器等，氣體激光器通常(tngchng)是CO2激光器和準(zhǔn)分子激光器。激光加工(ji gng)設(shè)備第47頁(yè)/共57頁(yè)第四十八頁(yè)，共58頁(yè)。1)固體激光器固體激光器固體激光器一般采用光激勵(lì)，能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)較多。光的激勵(lì)能量大部分轉(zhuǎn)換為熱能，所以效率低。為了避免固體介質(zhì)過熱，

33、固體激光器通常固體激光器一般采用光激勵(lì)，能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)較多。光的激勵(lì)能量大部分轉(zhuǎn)換為熱能，所以效率低。為了避免固體介質(zhì)過熱，固體激光器通常(tngchng)多采用脈沖工作方式，并用合適的冷卻裝置，較少采用連續(xù)工作方式。用于激光熱加工的固體激光器主要有三種，即紅寶石激光器、釹玻璃激光器和多采用脈沖工作方式，并用合適的冷卻裝置，較少采用連續(xù)工作方式。用于激光熱加工的固體激光器主要有三種，即紅寶石激光器、釹玻璃激光器和Nd:YAG激光器。激光器。 固體激光器結(jié)構(gòu)(jigu)示意圖l、全反射鏡 2、工作物質(zhì) 3、玻璃套管 4、部分反射鏡 5、聚光鏡 6、氙燈 7、電源 激光加工(ji gng)設(shè)備第48

34、頁(yè)/共57頁(yè)第四十九頁(yè)，共58頁(yè)。2)氣體激光器氣體激光器氣體激光器一般采用電激勵(lì)，因其效率高、壽命長(zhǎng)、連續(xù)輸出功率大，所以廣泛用于切割、焊接，熱處理等加工。常用于材料加工的氣體激光器有二氧化碳激光器、氬離子激光器和準(zhǔn)分子激光器等。氣體激光器一般采用電激勵(lì)，因其效率高、壽命長(zhǎng)、連續(xù)輸出功率大，所以廣泛用于切割、焊接，熱處理等加工。常用于材料加工的氣體激光器有二氧化碳激光器、氬離子激光器和準(zhǔn)分子激光器等。二氧化碳激光器連續(xù)輸出功率可達(dá)萬(wàn)瓦，是目前連續(xù)輸出功率最高的氣體激光器。二氧化碳激光器連續(xù)輸出功率可達(dá)萬(wàn)瓦，是目前連續(xù)輸出功率最高的氣體激光器。氬離子激光器是惰性氣體氬氬離子激光器是惰性氣體氬(

35、Ar)通過氣體放電，使氬原子電離并激發(fā)，實(shí)現(xiàn)離子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生激光，由于氬激光器波長(zhǎng)短，發(fā)散角小，所以可用于精密微細(xì)加工，如用于激光存貯光盤基板蝕刻制造等。通過氣體放電，使氬原子電離并激發(fā)，實(shí)現(xiàn)離子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生激光，由于氬激光器波長(zhǎng)短，發(fā)散角小，所以可用于精密微細(xì)加工，如用于激光存貯光盤基板蝕刻制造等。 準(zhǔn)分子激光的波長(zhǎng)極短準(zhǔn)分子激光的波長(zhǎng)極短(193nm) ，聚焦光斑直徑可達(dá)微米級(jí)，光束能量密度可達(dá)，聚焦光斑直徑可達(dá)微米級(jí)，光束能量密度可達(dá)(1081010)W/cm2。與利用。與利用(lyng)熱效應(yīng)的熱效應(yīng)的CO2、YAG等激光相比，準(zhǔn)分子激光基本屬于冷光源，從而在微細(xì)加工方面極具發(fā)展?jié)摿?。等激光相比，?zhǔn)分子激光基本屬于冷光源，從而在微細(xì)加工方面極具發(fā)展?jié)摿Α?激光加工(ji gng)設(shè)備第49頁(yè)/共57頁(yè)第五十頁(yè)，共58頁(yè)。光刻加工(ji gng)技術(shù) 光刻加工又稱光刻蝕加工，是刻蝕加工的一種，該技術(shù)主要是針對(duì)(zhndu)集成電路制作中