MEMS工藝梁庭培訓(xùn)資料課件

濕法腐蝕的缺點(diǎn)：圖形受晶向限制，深寬比較差，傾斜側(cè)壁，小結(jié)構(gòu)粘附。四、干法腐蝕狹義的干法刻蝕主要是指利用等離子體放電產(chǎn)生的化學(xué)過程對材料表面的加工廣義上的干法刻蝕則還包括除等離子體刻蝕外的其它物理和化學(xué)加工方法，例如激光加工、火花放電加工、化學(xué)蒸汽加工以及噴粉加工等。第一頁，共五十三頁。干法刻蝕的優(yōu)點(diǎn)：具有分辨率高、各向異性腐蝕能力強(qiáng)、腐蝕的選擇比大、能進(jìn)行自動化操作等干法刻蝕的過程：腐蝕性氣體離子的產(chǎn)生離子向襯底的傳輸吸附及反應(yīng)襯底表面的腐蝕鈍化及去除腐蝕反應(yīng)物的排除第二頁，共五十三頁。干法腐蝕的主要形式：*純化學(xué)過程：（等離子體腐蝕)*純物理過程：(離子刻蝕、離子束腐蝕）*物理化學(xué)過程：反應(yīng)離子腐蝕RIE，感應(yīng)耦合等離子體刻蝕ICP.第三頁，共五十三頁。在物理腐蝕方法中，利用放電時所產(chǎn)生的高能惰性氣體離子對材料進(jìn)行轟擊，腐蝕速率與轟擊粒子的能量、通量密度以及入射角有關(guān)；在化學(xué)腐蝕中，惰性氣體（如四氟化碳）在高頻或直流電場中受到激發(fā)并分解（如形成氟離子），然后與被腐蝕材料起反應(yīng)形成揮發(fā)性物質(zhì)；在物理化學(xué)結(jié)合的方法中，既有粒子與被腐蝕材料的碰撞，又有惰性氣體與被腐蝕材料的反應(yīng)。第四頁，共五十三頁。反應(yīng)離子刻蝕反應(yīng)離子刻蝕（Reactiveionetch）是在等離子中發(fā)生的。隨著材料表層的“反應(yīng)－剝離－排放”周期循環(huán)，材料被逐層刻蝕到制定深度。衡量反應(yīng)離子刻蝕的指標(biāo)：掩模的刻蝕比刻蝕的各向異性程度其它：刻蝕速率、刻蝕均勻性等第五頁，共五十三頁。等離子腐蝕利用氣體輝光放電電離和分解穩(wěn)定的原子所形成的離子和活性物質(zhì)，與被腐蝕的固體材料作用，產(chǎn)生揮發(fā)性的物質(zhì)或氣態(tài)產(chǎn)品。刻蝕過程主要是化學(xué)反應(yīng)刻蝕，是各向同性的，主要作為表面干法清洗工藝。第六頁，共五十三頁。第七頁，共五十三頁。?離子轟擊的作用：1.將被刻蝕材料表面的原子鍵破壞；2.將再淀積于被刻蝕表面的產(chǎn)物或聚合物打掉第八頁，共五十三頁。DRIE、ICP刻蝕工藝第九頁，共五十三頁。1.現(xiàn)象（1）各向同性腐蝕（2）各向異性腐蝕（3）濺射腐蝕等離子體腐蝕的主要現(xiàn)象和特點(diǎn)第十頁，共五十三頁。（1）速率高（2）環(huán)境清潔，工藝兼容性好。（3）掩膜選擇性好>30：1（4）表面光潔度好，應(yīng)力集中少（5）無晶向限制主要特點(diǎn)第十一頁，共五十三頁。（1）好的截面形狀，易于滿足鑄模要求。（2）高的腐蝕速率，適于體硅要求。（3）利用各向同性腐蝕，滿足犧牲層腐蝕要求。（4）可用于活動結(jié)構(gòu)制作。（5）可用于高深寬比結(jié)構(gòu)制作。適應(yīng)性第十二頁，共五十三頁。反應(yīng)離子深刻蝕改善刻蝕的方向性，即各向異性，一直是反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)發(fā)展過程中不懈追求的目標(biāo)。完全化學(xué)刻蝕是各向同性的，完全的物理刻蝕雖然有很好的方向性，但有很差的選擇性，即掩模本身經(jīng)受不了長時間的刻蝕。電感耦合等離子體（ICP），Bosch工藝第十三頁，共五十三頁。反應(yīng)離子深刻蝕的要求：需要較高的刻蝕速率，否則刻穿500um厚的硅片需要太長的時間；需要極好的各向異性，即刻蝕的邊壁垂直。除了離子物理濺射之外，反應(yīng)離子刻蝕從本質(zhì)上是各向同性，為了阻止或減弱側(cè)向刻蝕，只有設(shè)法在刻蝕的側(cè)向邊壁沉積一層抗刻蝕的膜。第十四頁，共五十三頁。Bosch工藝和Cryogenic工藝所謂Bosch工藝就是在反應(yīng)離子刻蝕的過程中，不斷在邊壁上沉積抗刻蝕層或邊壁鈍化第十五頁，共五十三頁。八氟環(huán)丁烷離化后在底面和側(cè)壁形成聚合物鈍化層。通入刻蝕氣體SF6刻蝕掉底部鈍化層，并進(jìn)一步刻蝕硅。新暴露的側(cè)壁被新的鈍化層覆蓋。第十六頁，共五十三頁。離子濺射刻蝕離子濺射刻蝕是純粹的物理刻蝕過程，氬氣是最通用的離子源氣體。第十七頁，共五十三頁。反應(yīng)氣體刻蝕利用二氟化氙XeF2在氣態(tài)可以直接與硅反應(yīng)生成揮發(fā)性SiF4產(chǎn)物的性質(zhì)，可以對硅表面進(jìn)行各向同性刻蝕。第十八頁，共五十三頁。第十九頁，共五十三頁。參數(shù)干法腐蝕濕法腐蝕方向性對大多數(shù)材料好僅對單晶材料（深寬比高達(dá)100）生產(chǎn)自動化程度好差環(huán)境影響低高掩模層粘附特性不是關(guān)鍵因素非常關(guān)鍵選擇性相對差非常好待腐蝕材料僅特定材料所有工藝規(guī)模擴(kuò)大困難容易清潔度有條件地清潔好到非常好臨界尺寸控制非常好（<0.1μm）差裝置成本昂貴較昂貴典型的腐蝕率慢（0.1μm/min）到快（6μm/min）快（1μm/min以上）操作參數(shù)多很少腐蝕速率控制在緩慢腐蝕時好困難干法刻蝕與濕法腐蝕對比第二十頁，共五十三頁。其它物理刻蝕技術(shù)激光微加工技術(shù)飛秒激光對材料表面的輻照時間如此之短，激光的能量沒有時間轉(zhuǎn)化為熱量擴(kuò)散到相鄰區(qū)域；激光微加工是一種快速成型技術(shù)，不需要曝光、顯影、刻蝕的中間步驟，不受材料形狀與大小的限制；噴墨打印頭上的孔第二十一頁，共五十三頁。激光是一種受激輻射而得到的加強(qiáng)光。其基本特征：

◎強(qiáng)度高，亮度大

◎波長頻率確定，單色性好

◎相干性好，相干長度長

◎方向性好，幾乎是一束平行光工作原理激光加工當(dāng)激光束照射到工件表面時，光能被吸收，轉(zhuǎn)化成熱能，使照射斑點(diǎn)處溫度迅速升高、熔化、氣化而形成小坑，由于熱擴(kuò)散，使斑點(diǎn)周圍金屬熔化，小坑內(nèi)金屬蒸氣迅速膨脹，產(chǎn)生微型爆炸，將熔融物高速噴出并產(chǎn)生一個方向性很強(qiáng)的反沖擊波，于是在被加工表面上打出一個上大下小的孔。激光器工件工作臺激光加工原理圖光闌反射鏡聚焦鏡電源Real第二十二頁，共五十三頁。第二十三頁，共五十三頁。固體激光器◎YAG（結(jié)晶母材由釔、鋁和石榴石構(gòu)成）激光器◎紅寶石激光器◎混合氣體：氦約80%，氮約15%，CO2約5%◎通過高壓直流放電進(jìn)行激勵◎波長10.6μm，為不可見光◎能量效率5%～15%反射凹鏡反射平鏡電極放電管CO2氣體冷卻水進(jìn)口冷卻水出口激光高壓直流電源CO2激光器示意圖氣體激光器——CO2激光器激光器第二十四頁，共五十三頁。加工材料范圍廣，適用于加工各種金屬材料和非金屬材料，特別適用于加工高熔點(diǎn)材料，耐熱合金及陶瓷、寶石、金剛石等硬脆材料。加工性能好，工件可離開加工機(jī)進(jìn)行加工，可透過透明材料加工，可在其他加工方法不易達(dá)到的狹小空間進(jìn)行加工。非接觸加工方式，熱變形小，加工精度較高?？蛇M(jìn)行微細(xì)加工。激光聚焦后焦點(diǎn)直徑理論上可小至1μ以下，實(shí)際上可實(shí)現(xiàn)φ0.01mm的小孔加工和窄縫切割。加工速度快，效率高。激光加工不僅可以進(jìn)行打孔和切割，也可進(jìn)行焊接、熱處理等工作。激光加工可控性好，易于實(shí)現(xiàn)自動控制。加工設(shè)備昂貴。激光加工特點(diǎn)第二十五頁，共五十三頁。激光打孔

◎廣泛應(yīng)用于金剛石拉絲模、鐘表寶石軸承、陶瓷、玻璃等非金屬材料，和硬質(zhì)合金、不銹鋼等金屬材料的小孔加工。

◎激光打孔具有高效率、低成本的特點(diǎn)，特別適合微小群孔加工。

◎焦點(diǎn)位置對孔的質(zhì)量影響：若焦點(diǎn)與加工表面之間距離很大，則激光能量密度顯著減小，不能進(jìn)行加工。如果焦點(diǎn)位置偏離加工表面1mm，可以進(jìn)行加工，此時加工出孔的斷面形狀隨焦點(diǎn)位置不同而發(fā)生變化。激光加工應(yīng)用焦點(diǎn)位置對孔形狀影響第二十六頁，共五十三頁。激光熱處理

◎原理：照射到金屬表面上的激光使表面原子迅速蒸發(fā)，由此產(chǎn)生微沖擊波會導(dǎo)致大量晶格缺陷形成，達(dá)到硬化。

◎優(yōu)點(diǎn)：快速、不需淬火介質(zhì)、硬化均勻、變形小、硬化深度可精確控制。激光焊接

◎與打孔相比，激光焊接所需能量密度較低，因不需將材料氣化蝕除，而只要將工件的加工區(qū)燒熔使其粘合在一起。

◎優(yōu)點(diǎn)：沒有焊渣，不需去除工件氧化膜，可實(shí)現(xiàn)不同材料之間的焊接，特別適宜微型機(jī)械和精密焊接。激光切割

◎激光切割具有切縫窄、速度快、熱影響區(qū)小、省材料、成本低等優(yōu)點(diǎn)，并可以在任何方向上切割，包括內(nèi)尖角。

◎可以切割鋼板、不銹鋼、鈦、鉭、鎳等金屬材料，以及布匹、木材、紙張、塑料等非金屬材料。第二十七頁，共五十三頁。圖7-74激光焊接車身圖7-73激光切割第二十八頁，共五十三頁。電火花加工利用兩個電極間的火花放電產(chǎn)生的高熱使火花放電區(qū)的材料熔化；對材料的要求是導(dǎo)電特點(diǎn)：可加工導(dǎo)體或半導(dǎo)體超硬材料非接觸加工可制作高深寬比結(jié)構(gòu)第二十九頁，共五十三頁。工作原理：利用工具電極與工件電極之間脈沖性火花放電，產(chǎn)生瞬時高溫，工件材料被熔化和氣化。同時，該處絕緣液體也被局部加熱，急速氣化，體積發(fā)生膨脹，隨之產(chǎn)生很高的壓力。在這種高壓作用下，已經(jīng)熔化、氣化的材料就從工件的表面迅速被除去。

◆

4個階段：1）介質(zhì)電離、擊穿，形成放電通道；2）火花放電產(chǎn)生熔化、氣化、熱膨脹；3）拋出蝕除物；4）間隙介質(zhì)消電離（恢復(fù)絕緣狀態(tài)）。

電火花加工電火花加工原理圖進(jìn)給系統(tǒng)放電間隙工具電極工件電極直流脈沖電源工作液Real第三十頁，共五十三頁。電火花加工機(jī)床第三十一頁，共五十三頁。電極材料——要求導(dǎo)電，損耗小，易加工；常用材料：紫銅、石墨、鑄鐵、鋼、黃銅等，其中石墨最常用。工作液——主要功能壓縮放電通道區(qū)域，提高放電能量密度，加速蝕物排出；常用工作液有煤油、機(jī)油、去離子水、乳化液等。放電間隙——合理的間隙是保證火花放電的必要條件。為保持適當(dāng)?shù)姆烹婇g隙，在加工過程中，需采用自動調(diào)節(jié)器控制機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)，并帶動工具電極緩慢向工件進(jìn)給。工作要素脈沖寬度與間隔——影響加工速度、表面粗糙度、電極消耗和表面組織等。脈沖頻率高、持續(xù)時間短，則每個脈沖去除金屬量少，表面粗糙度值小，但加工速度低。通常放電持續(xù)時間在2μs至2ms范圍內(nèi)，各個脈沖的能量2mJ到20J（電流為400A時）之間。第三十二頁，共五十三頁。電火花線切割加工：用連續(xù)移動的鉬絲（或銅絲）作工具陰極，工件為陽極。機(jī)床工作臺帶動工件在水平面內(nèi)作兩個方向移動，可切割出二維圖形。同時，絲架可作小角度擺動，可切割出斜面。電火花加工類型電火花線切割原理圖XY儲絲筒導(dǎo)輪電極絲工件電火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等第三十三頁，共五十三頁。電火花線切割機(jī)床電火花線切割加工加工過程顯示第三十四頁，共五十三頁。不受加工材料硬度限制，可加工任何硬、脆、韌、軟的導(dǎo)電材料。加工時無顯著切削力，發(fā)熱小，適于加工小孔、薄壁、窄槽、形面、型腔及曲線孔等，且加工質(zhì)量較好。脈沖參數(shù)調(diào)整方便，可一次裝夾完成粗、精加工。易于實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工。電火花加工特點(diǎn)電火花加工應(yīng)用電火花成形加工：電火花打孔常用于加工冷沖模、拉絲模、噴嘴、噴絲孔等。型腔加工包括鍛模、壓鑄模、擠壓模、塑料模等型腔加工，以及葉輪、葉片等曲面加工。電火花線切割：廣泛用于加工各種硬質(zhì)合金和淬硬鋼的沖模、樣板、各種形狀復(fù)雜的板類零件、窄縫、柵網(wǎng)等。第三十五頁，共五十三頁。工作原理：工件接陽極，工具（銅或不銹鋼）接陰極，兩極間加直流電壓6～24V，極間保持0.1～1mm間隙。在間隙處通以6～60m/S高速流動電解液，形成極間導(dǎo)電通路，工件表面材料不斷溶解，溶解物及時被電解液沖走。工具陰極不斷進(jìn)給，保持極間間隙。

電解加工原理圖電解液直流電源泵工件陽極陰極進(jìn)給工具陰極電解加工第三十六頁，共五十三頁。

不受材料硬度的限制，能加工任何高硬度、高韌性的導(dǎo)電材料，并能以簡單的進(jìn)給運(yùn)動一次加工出形狀復(fù)雜的形面和型腔。

加工形面、型腔生產(chǎn)率高（與電火花加工比高5～10倍）。采用振動進(jìn)給和脈沖電流等新技術(shù)，可進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和加工精度。陰極在加工中損耗小。加工表面質(zhì)量好，無毛刺、殘余應(yīng)力和變形層。設(shè)備投資大，有污染，需防護(hù)。模具型腔、槍炮膛線、發(fā)電機(jī)葉片、花鍵孔、內(nèi)齒輪、小而深的孔加工，電解拋光、倒棱、去毛刺等。電解加工特點(diǎn)電解加工應(yīng)用第三十七頁，共五十三頁。工件與磨輪保持一定接觸壓力，突出的磨料使磨輪導(dǎo)電基體與工件之間形成一定間隙。電解液從中流過時，工件產(chǎn)生陽極溶解，表面生成一層氧化膜，其硬度遠(yuǎn)比金屬本身低，易被刮除，露出新金屬表面，繼續(xù)進(jìn)行電解。電解作用與磨削作用交替進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)加工。

電解磨削效率比機(jī)械磨削高，且磨輪損耗遠(yuǎn)比機(jī)械磨削小，特別是磨削硬質(zhì)合金時，效果更明顯。導(dǎo)電磨輪電解液電刷工作臺工件絕緣板導(dǎo)電基體磨料陽極膜電解磨削第三十八頁，共五十三頁。電子束加工電子束加工是近年來得到較大發(fā)展的特種加工方法，在精密微細(xì)加工方面，尤其是在微電子學(xué)領(lǐng)域中得到較多的應(yīng)用。電子束加工主要用于打孔、焊接等的精加工和電子束光刻化學(xué)加工。第三十九頁，共五十三頁。真空條件下，利用電流加熱陰極發(fā)射電子束，經(jīng)控制柵極初步聚焦后，由加速陽極加速，通過透鏡聚焦系統(tǒng)進(jìn)一步聚焦，使能量密度集中在直徑5～10μm斑點(diǎn)內(nèi)。高速而能量密集的電子束沖擊到工件上，被沖擊點(diǎn)處形成瞬時高溫（幾分之一微秒時間內(nèi)升高至幾千攝氏度），工件表面局部熔化、氣化直至被蒸發(fā)去除。

電子束加工原理圖控制柵極加速陽極電子束斑點(diǎn)旁熱陰極聚焦系統(tǒng)工件工作臺電子束加工工作原理第四十頁，共五十三頁。電子束束徑?。ㄗ钚≈睆娇蛇_(dá)0.01～0.05mm），而電子束長度可達(dá)束徑幾十倍，故可加工微細(xì)深孔、窄縫。材料適應(yīng)性廣（原則上各種材料均能加工），特別適用于加工特硬、難熔金屬和非金屬材料。非接觸加工，無工具損耗；無切削力，加工時間極短，工件無變形。加工速度高，切割1mm厚鋼板，速度可達(dá)240mm/min。在真空中加工，無氧化，特別適于加工高純度半導(dǎo)體材料和易氧化的金屬及合金。

加工設(shè)備較復(fù)雜，投資較大。多用于微細(xì)加工。

特點(diǎn)及應(yīng)用第四十一頁，共五十三頁。離子束加工

離子束加工與電子束加工的原理基本相同，不同的只是離子質(zhì)量比電子質(zhì)量大數(shù)千、數(shù)萬倍，經(jīng)過聚焦加速后，靠離子打擊加工件的動能，或?qū)⒐ぜ脑幼矒舫鰜?撞擊效應(yīng))，或?qū)胁牡脑幼渤龊箫w濺沉積到工件表面上（濺射效應(yīng)），或直接將離子束中的離子打入工件表層之內(nèi)(注入效應(yīng))?？蓪?shí)現(xiàn)對材料的“毫微米級”或“原子級”加工。第四十二頁，共五十三頁。超聲波加工一、超聲波加工的基本原理聲波頻率超過16000Hz被稱為超聲波。超聲波加工是利用超聲波振動的沖擊磨料對工件進(jìn)行加工的一種方法，它不僅能加工脆硬金屬材料．而且適合于加工不導(dǎo)電的脆硬非金屬材料，如玻璃、陶瓷等。同時超聲波還可用于清洗、焊接和探傷等。第四十三頁，共五十三頁。利用工具端面作超聲（16～25kHz）振動，使工作液中的懸浮磨粒對工件表面撞擊拋磨來實(shí)現(xiàn)加工。超聲波發(fā)生器將工頻交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，通過換能器將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)槌暀C(jī)械振動，此時振幅一般很小，再通過振幅擴(kuò)大棒（變幅桿）使固定在變幅桿端部的工具振幅增大到0.01～0.15mm。

工作原理變幅桿超聲波發(fā)生器超聲波加工原理圖振動方向工具換能器工作液噴嘴工件超聲波加工第四十四頁，共五十三頁。超聲波加工二、超聲波加工的特點(diǎn)、方法及應(yīng)用1、超聲波加工適合于加工各種脆硬材料，材料越是脆硬，越適宜超聲波加工；2、超聲波可用于加工薄壁、薄片等易變形零件，加工精度高；3、超聲波加工設(shè)備簡單，但生產(chǎn)效率低。

加工方法可采用超聲波直接加工、超聲波旋轉(zhuǎn)加工、超聲波機(jī)械復(fù)合加工、超聲波焊接、涂覆、清洗等。第四十五頁，共五十三頁。圖7-76超聲波加工機(jī)床圖7-77超聲波加工樣件第四十六頁，共五十三頁。適用于加工各種脆性金屬材料和非金屬材料，如玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體、寶石、金剛石等。可加工各種復(fù)雜形狀的型孔、型腔、形面。工具與工件不需作復(fù)雜的相對運(yùn)動，機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單。被加工表面無殘余應(yīng)力，無破壞層，加工精度較高，尺寸精度可達(dá)0.01～0.05mm。加工過程受力小，熱影響小，可加工薄壁、薄片等易變形零件。生產(chǎn)效率較低。采用超聲復(fù)合加工（如超聲車削，超聲磨削，超聲電解加工，超聲線切割等）可提高加工效率。超聲波加工特點(diǎn)及應(yīng)用第四十七頁，共五十三頁。工作原理：加工裝置（圖7-78）噴嘴材料及工作條件（表7-11）項(xiàng)目材料孔徑/mm至工件距離/mm噴射角度/°參數(shù)金剛石，藍(lán)寶石，淬火鋼0.075～0.42.5～500～30表7-11噴嘴材料及工作條件圖7-78水噴射加工裝置示意圖噴嘴閥控制器蓄能器供水器過濾器泵增壓器液壓裝置排水器工件射流d水噴射加工利用超高壓水（或水與磨料的混合液）對工件進(jìn)行切割（或打孔），又稱高壓水切割，或“水刀”。第四十八頁，共五十三頁。工藝參數(shù)（表7-12，表7-13）

表7-12水噴射加工常用工藝參數(shù)

工藝參數(shù)常用值工藝參數(shù)常用值壓力/MPa70～450噴射力/N45～135流速/m/s300～900功率/kW10～40流量/L/s2.5～7.5磨料耗量/kg/min0.1～0.3工藝參數(shù)、效率、精度石材玻璃ABS塑料皮革工件厚度/mm25122.84.45噴嘴孔徑/mm0.30.30.10.1流體壓力/MPa400400258300切割速度/m/min0.1