現(xiàn)代加工技術(shù)-微細(xì)加工技術(shù)課件

第七章微細(xì)加工技術(shù)第七章微細(xì)加工技術(shù)第七章微細(xì)加工技術(shù)ji22227.1微機(jī)械與微細(xì)加工概述7.2硅微細(xì)加工技術(shù)7.3光刻加工技術(shù)7.4LIGA技術(shù)和準(zhǔn)LIGA技術(shù)7.5微細(xì)電火花加工7.6微細(xì)切削加工技術(shù)7.7薄膜氣相沉積技術(shù)第七章微細(xì)加工技術(shù)ji22227.1微機(jī)械與微細(xì)加工概述7.1微機(jī)械與微細(xì)加工概述

7.1.1微機(jī)械微機(jī)械或微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是指具有很小外形輪廓尺度的微型機(jī)械電子系統(tǒng)。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)械成為人們在微觀領(lǐng)域認(rèn)識和改造客觀世界的一種高新技術(shù)。一般認(rèn)為，微機(jī)械依其特征尺寸可以劃分為：小型機(jī)械（1mm-10mm），微型機(jī)械（1um-1mm）以及納米機(jī)械（1nm-1um）。從廣義來講，微機(jī)械包括微小型機(jī)械和納米機(jī)械。7.1微機(jī)械與微細(xì)加工概述

微機(jī)械的基本特征：（1）體積小、重量輕、精度高。（2）能耗小、響應(yīng)快、靈敏度高。（3）性能穩(wěn)定、可靠、一致性好。（4）多功能化和智能化。（5）適于大批量生產(chǎn)，制造成本低廉。微機(jī)械主要產(chǎn)品主要有：（1）微構(gòu)件：微軸、微孔、微探針、微齒輪、微連桿等；（2）微傳感器：壓力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器等；（3）微執(zhí)行器：微電機(jī)、微泵、微開關(guān)、微閥等；（4）專用的微機(jī)械器件及系統(tǒng)：如人造器官、微型手術(shù)機(jī)器人、微光學(xué)系統(tǒng)、微型飛機(jī)等。微機(jī)械的基本特征：微型彈簧微型彈簧在人的頭發(fā)絲上微細(xì)加工的40um的方孔在人的頭發(fā)絲上微細(xì)加工的40um的方孔微細(xì)加工的渦輪轉(zhuǎn)子微細(xì)加工的渦輪轉(zhuǎn)子撲翼式微飛行器撲翼式微飛行器微型機(jī)器人微型機(jī)器人7.1.2微細(xì)加工技術(shù)微細(xì)加工技術(shù)是指能夠制造微小尺寸零件的加工技術(shù)的總稱。微細(xì)加工技術(shù)包含了各種傳統(tǒng)精密加工方法以及新方法，包括：微細(xì)切削加工、微細(xì)電火花加工、電解加工、等離子體加工、激光加工、電子束加工、光刻加工、電鑄加工等。微細(xì)加工是由多項技術(shù)構(gòu)成的一個技術(shù)群體，主要包括：（1）由IC工藝技術(shù)發(fā)展起來的硅微細(xì)加工技術(shù)；（2）在特種加工和常規(guī)切削加工基礎(chǔ)上發(fā)展形成的微細(xì)制造技術(shù)；（3）由上述兩種技術(shù)集成的新方法，如LIGA、準(zhǔn)LIGA技術(shù)等。7.1.2微細(xì)加工技術(shù)

微細(xì)加工與常規(guī)尺寸加工的區(qū)別：（1）加工精度的表示方法不同：一般尺度加工，加工精度常用相對精度表示，微細(xì)加工用絕對精度表示；（2）加工機(jī)理存在很大的差異：微細(xì)加工中加工單位急劇減小，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)加工由于加工對象的微小型化，以分離或結(jié)合原子、分子為特征；特別是掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的出現(xiàn)，為實現(xiàn)單個原子作為加工加工單位創(chuàng)造了條件；（4）當(dāng)構(gòu)件縮小到一定尺寸范圍時將出現(xiàn)尺度效應(yīng)。如表現(xiàn)在：構(gòu)件尺寸減小，材料內(nèi)部缺陷減少，機(jī)械強(qiáng)度增加；微構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、殘余應(yīng)力等與大構(gòu)件不同，有些表征材料物理性能的物理量需重新定義。微細(xì)加工與常規(guī)尺寸加工的區(qū)別：7.2硅微細(xì)加工技術(shù)

硅微細(xì)加工主要是指以硅材料為基礎(chǔ)制作各種微機(jī)械零部件的加工技術(shù)。它總體上可分為體加工和面加工兩大類。

7.2.1硅的體微加工

硅的體微加工（bulkmicromachining）技術(shù)是指利用刻蝕（Etching）等工藝對塊狀硅進(jìn)行準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)的微加工，即去除部分基體或襯底材料，以形成所需要的硅微結(jié)構(gòu)?？涛g法分為濕法刻蝕和干法刻蝕兩類。7.2硅微細(xì)加工技術(shù)

（1）濕法刻蝕濕法刻蝕是通過化學(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)剝離下來的刻蝕方法。濕法刻蝕不僅可用于硅材料的刻蝕，也可用于金屬、玻璃等很多材料，是應(yīng)用非常廣泛的微細(xì)結(jié)構(gòu)圖形制備技術(shù)。濕法刻蝕的速率取決于基底上被腐蝕材料和溶液中化學(xué)反應(yīng)物的濃度以及溶液的溫度，濕法刻蝕因基底材料不同可以分為各向同性刻蝕和各向異性刻蝕。（1）濕法刻蝕1）各向同性刻蝕大多數(shù)濕法刻蝕屬于不易控制的各向同性刻蝕。被腐蝕的基底材料是均勻且各向同性的，容易出現(xiàn)塌邊的現(xiàn)象，即在縱向刻蝕的同時，也出現(xiàn)側(cè)向鉆蝕。攪動刻蝕劑能夠控制刻蝕速率和刻蝕結(jié)構(gòu)的最終形狀。攪拌的作用是加速反應(yīng)物和產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移，保證轉(zhuǎn)移在各個方向上的一致性。通過適當(dāng)?shù)臄嚢?，能得到具有球形表面的坑和腔，甚至可得到近乎完美的半球形。SiO2掩膜

（a）（b）各向同性刻蝕（a）各向同性刻蝕（攪拌）；（b）各向同性刻蝕（不攪拌）

1）各向同性刻蝕SiO2掩膜2）各向異性刻蝕各向異性刻蝕是指某個方向上的刻蝕速率遠(yuǎn)大于另一方向?？涛g速度與基底材料的結(jié)晶取向密切相關(guān)；硅材料是一種各向異性材料，在3個晶面上表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。對于特定的刻蝕劑，硅的[100]晶面的腐蝕速度最快，[110]晶面次之，[111]晶面的腐蝕速度最慢。硅各向異性刻蝕在幾何形狀控制上具有許多優(yōu)點，可以制作出許多具有垂直側(cè)壁的微機(jī)械零件。

（c）（d）各向異性刻蝕（c）各向異性刻蝕（攪拌）；（d）各向異性刻蝕（不攪拌）

2）各向異性刻蝕（c）

（2）干法刻蝕將被加工的硅片放置在等離子體中，在帶有腐蝕性、具有一定能量的離子轟擊下，反應(yīng)生成氣態(tài)物質(zhì)，去除被刻蝕膜。干法刻蝕不需要大量的有毒化學(xué)試劑，不必清洗，分辨率高，各向異性腐蝕能力強(qiáng)，可得到較大的深寬比結(jié)構(gòu)，易于自動操作。

1）干法刻蝕種類①等離子刻蝕：腐蝕氣體在高頻電場作用下，發(fā)生電離形成放電，產(chǎn)生等離子體，利用離子與薄膜之間的化學(xué)反應(yīng)生成揮發(fā)性物質(zhì)，由真空抽走，得到刻蝕的目的；②反應(yīng)離子刻蝕③離子束刻蝕與反應(yīng)離子束刻蝕④增強(qiáng)反應(yīng)離子刻蝕（2）干法刻蝕2）干法刻蝕工藝的理想特征①離子平行入射，以產(chǎn)生各向異性。②反應(yīng)性的離子，以提高選擇性。③高密度的離子，以提高刻蝕速率。④低的入射能量，以減輕硅片的損傷。在半導(dǎo)體生產(chǎn)中，主要被研究的刻蝕材料為二氧化硅和氮化硅。2）干法刻蝕工藝的理想特征（3）體微加工舉例

（100）硅片各向異性腐蝕的凹槽（3）體微加工舉例（100）硅片各向異性腐蝕的凹槽腐蝕凸起的拐角產(chǎn)生懸臂梁腐蝕凸起的拐角產(chǎn)生懸臂梁兩端固定支撐梁的加工兩端固定支撐梁的加工采用CMOS工藝制作的硅復(fù)雜微結(jié)構(gòu)采用CMOS工藝制作的硅復(fù)雜微結(jié)構(gòu)

7.2.2硅的面微加工j3

硅的面微加工是通過薄膜沉積和蝕刻工藝，在晶片表面上形成較薄微結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)。表面微加工使用的薄膜沉積技術(shù)主要有物理氣相沉積（PVD）和化學(xué)氣相沉積（CVD）等方法。典型的表面微加工方法是犧牲層技術(shù)。所謂犧牲層技術(shù)就是在微結(jié)構(gòu)層中嵌入一層犧牲材料，在后續(xù)工序中有選擇地將這一層材料腐蝕掉而不影響結(jié)構(gòu)層本身。這種工藝的目的是使結(jié)構(gòu)薄膜與襯底材料分離，得到各種所需的表面微結(jié)構(gòu)。常用的襯底材料為單晶硅片，結(jié)構(gòu)層材料沉積的多晶硅、氮化硅等，犧牲層材料多為二氧化硅。7.2.2硅的面微加工j3基礎(chǔ)材料犧牲層犧牲層結(jié)構(gòu)層微結(jié)構(gòu)用犧牲層技術(shù)制作微結(jié)構(gòu)的基本過程（a）（b）（c）（d）（e）

犧牲層技術(shù)表面微加工的工藝步驟：（a）基礎(chǔ)材料，一般為單晶硅片；（b）在基板上沉積一層絕緣層作為犧牲層；（c）在犧牲層上進(jìn)行光刻，刻蝕出窗口；（d）在刻蝕出的窗口和犧牲層上沉積多晶硅或其他材料作為結(jié)構(gòu)層；（e）從側(cè)面將犧牲層材料腐蝕掉，釋放結(jié)構(gòu)層，得到所需的微結(jié)構(gòu)。基礎(chǔ)材料犧牲層犧牲層結(jié)構(gòu)層微結(jié)構(gòu)用犧牲層技術(shù)制作微結(jié)構(gòu)的基本

表面微加工對所采用的材料的要求：（1）結(jié)構(gòu)層必須能夠保證所要求的使用性能：如電學(xué)性能、力學(xué)性能、表面特性等；（2）犧牲層必須具有足夠的力學(xué)性能以保證在制作過程中不會引起分層或裂紋等結(jié)構(gòu)破壞；（3）選擇犧牲層和結(jié)構(gòu)層材料后，薄膜沉積和腐蝕將起重要作用。沉積工藝需要有很好的保形覆蓋性質(zhì)，以保證完成微結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，腐蝕所選的化學(xué)試劑，應(yīng)能優(yōu)先腐蝕犧牲層材料；（4）表面加工工藝還應(yīng)注意與集成電路工藝的兼容性，以保證微結(jié)構(gòu)的控制、信號輸入與輸出等。表面微加工對所采用的材料的要求：7.3光刻光刻（photolithography）也稱照相平版印刷，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)。其原理為：在硅等基體材料上涂覆光致抗蝕劑，然后利用分辨率很高的能量束通過掩膜對光致抗蝕劑層進(jìn)行曝光。經(jīng)顯影后，在抗蝕劑層上獲得與掩膜圖形相同的極微細(xì)的幾何圖形，再利用刻蝕等方法在工件材料上制造出微型結(jié)構(gòu)。具體的過程包括掩膜制作和光刻過程兩個部分。7.3光刻

掩膜制作工藝流程：（1）繪制原圖：原圖一般要比最終要求的圖象放大幾倍到幾百倍，根據(jù)設(shè)計圖紙，在繪圖機(jī)上用刻圖刀在紅膜材料上刻成；（2）縮版、殖版制作：將原圖用縮版機(jī)所成規(guī)定的尺寸。如果要大量生產(chǎn)同一形狀制品，可用縮圖在分步重復(fù)照相機(jī)上作成殖版；（3）工作原版或工作掩膜制作：縮版、殖版可直接用于光刻加工，但一般做為母版保存。從母版復(fù)印形成復(fù)制版，這就是光刻加工時的原版，稱工作原版或工作掩膜。目前，一般由計算機(jī)輔助設(shè)計CAD制作版圖，而后在計算機(jī)控制下經(jīng)電子束曝光機(jī)直接制作主掩膜版。為提高掩膜精度，繪圖機(jī)——圖形發(fā)生器——電子束曝光流程成為制造工藝的主流。掩膜制作工藝流程：1.掩膜制作掩膜制作過程1.掩膜制作掩膜制作過程現(xiàn)代加工技術(shù)-微細(xì)加工技術(shù)ppt課件

光刻加工主要工序：（1）預(yù)處理：基底材料通常為單晶硅或其他硅基材料，采用打磨、拋光、脫脂、酸洗等方法對硅材料表面進(jìn)行光整和凈化處理；（2）涂膠：把光致抗蝕劑涂覆在氧化膜上的過程稱為涂膠。常用方法有旋轉(zhuǎn)甩膠、浸漬、噴涂和印刷等；（3）曝光：在涂好光刻膠的硅片表面覆蓋掩膜版，利用紫外光等透過掩膜對光刻膠進(jìn)行選擇性照射，在受到光照的地方，光刻膠發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，從而改變了感光部分膠的性質(zhì)。曝光時準(zhǔn)確的定位和嚴(yán)格控制曝光強(qiáng)度與時間是其關(guān)鍵。光刻加工主要工序：

（4）顯影與烘片：曝光后的光致抗蝕劑其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生化學(xué)變化，在特定溶劑或水中的溶解度不同，利用曝光區(qū)和非曝光區(qū)這一差異，可在特定溶劑中把曝光圖形呈現(xiàn)出來，這就是顯影；有的光致抗蝕劑在顯影干燥后，要進(jìn)行200℃-250℃的熱處理，使它發(fā)生熱聚合作用，以提高強(qiáng)度，防止膠層脫落，叫做烘片；（5）刻蝕：采用刻蝕工藝將沒有光致抗蝕劑部分的氧化膜去除，得到期望的圖形；（6）剝膜與檢查：用剝膜液去除光致抗蝕劑的過程稱為剝膜。剝膜后洗凈修整，再進(jìn)行外觀線條尺寸、間隔尺寸、物理性能和電學(xué)性能等檢查。（4）顯影與烘片：曝光后的光致抗蝕劑其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生預(yù)處理脫脂、拋光、酸洗、水洗

涂膠甩涂、浸漬、噴涂、印刷

曝光電子束、X射線、遠(yuǎn)紫外線、離子束

氧化膜基片顯影烘片刻蝕干式、濕式剝膜、檢查光致抗蝕劑掩膜電子束離子束窗口預(yù)處理涂膠曝光氧化膜基片顯影烘片刻蝕剝膜、檢查光致抗蝕7.4LIGA技術(shù)和準(zhǔn)LIGA技術(shù)

LIGA是一種三維微細(xì)制造技術(shù)，來源于德文制版術(shù)Lithographie，電鑄成形Galvanoformung和注塑Abfoumung的縮寫。該工藝于20世紀(jì)80年代由德國發(fā)明，在制造高深寬比金屬微結(jié)構(gòu)和塑料微結(jié)構(gòu)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

7.4.1LIGA技術(shù)

LIGA技術(shù)是一種利用同步輻射X射線制造三維微器件的技術(shù)，主要包括深層同步輻射X射線光刻、電鑄成形和復(fù)制三個工藝過程。7.4LIGA技術(shù)和準(zhǔn)LIGA技術(shù)現(xiàn)代加工技術(shù)-微細(xì)加工技術(shù)ppt課件X射線掩膜X射線掩膜現(xiàn)代加工技術(shù)-微細(xì)加工技術(shù)ppt課件1、深層同步輻射X射線光刻

1）掩膜和基板材料：掩膜材料包括襯基材料和吸收體材料。X射線光刻掩膜是由低原子序數(shù)的輕元素材料形成的襯基薄膜（如SiC、金剛石薄膜、Si3N4等）和附著在該襯基薄膜上的重原子序數(shù)X射線吸收體（如Au、Ta、W等）圖形組成；

2）光刻膠和膠層制備：用于同步輻射X射線光刻的光刻膠有多種，通常采用的正性光刻膠聚甲基丙烯酸甲脂。1、深層同步輻射X射線光刻3）同步輻射X射線曝光：同步輻射X光具有波長短、分辨率高、穿透力強(qiáng)等優(yōu)點外，還具有能量高、發(fā)散角小，高度的準(zhǔn)直性，輻射強(qiáng)度大等特點。LIGA技術(shù)最適合的光源波長為0.2um-0.8um；

4）化學(xué)顯影處理：在受到X光照射的光刻膠中，聚合物分子長鏈斷裂，性質(zhì)發(fā)生變化，對光照后的光刻膠進(jìn)行顯影處理，溶解掉相應(yīng)部分，得到一個與掩膜圖形結(jié)構(gòu)相同，厚度為幾百微米的三維立體光刻膠結(jié)構(gòu)。顯影液需滿足一定條件：不侵蝕未照射區(qū)、不引起光刻膠膨脹。3）同步輻射X射線曝光：同步輻射X光具有波長短、2、電鑄成形對顯影后的樣品進(jìn)行微電鑄，就可獲得高深寬比微結(jié)構(gòu)的金屬零件。

LIGA技術(shù)利用光刻膠層下面的金屬薄層作為陰極進(jìn)行電沉積，由于部分陰極表面有一層光刻膠圖形，因此金屬只能沉積到光刻膠所形成的三維立體結(jié)構(gòu)的空隙中，直至光刻膠上面完全覆蓋了金屬層為止，形成一個與光刻膠相對應(yīng)的金屬結(jié)構(gòu)。這種金屬結(jié)構(gòu)可以是最終產(chǎn)品，也可以作為微塑鑄的模具，用于大批量生產(chǎn)塑料微結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。電鑄可用金屬種類有限，微電鑄材料可以是鎳、銅、金、鐵鎳合金等，最常用的是鎳。2、電鑄成形3、微復(fù)制加工目前微復(fù)制方法主要有兩種：注塑成型和模壓成型。微注塑的典型工藝：將電鑄金屬結(jié)構(gòu)作為二級模板，用帶有噴射孔的閘板覆蓋在模板上方，將低黏度的聚合物通過噴射孔注入到模板的空腔內(nèi)，充滿結(jié)構(gòu)內(nèi)部的自由空間，待聚合物變硬后，得到塑性結(jié)構(gòu)可從模板中提出。模壓成型工藝：在導(dǎo)電基片上涂覆一層塑料，通過模壓工藝獲得在導(dǎo)電基片上的微塑料微結(jié)構(gòu)，然后對該微結(jié)構(gòu)進(jìn)行微電鑄，去除導(dǎo)電基片后就可獲得金屬產(chǎn)品。3、微復(fù)制加工4、LIGA技術(shù)特點（1）由于LIGA技術(shù)所使用的同步輻射X射線的穿透力極強(qiáng)，因此可以制作具有很大縱橫比的微結(jié)構(gòu)；（2）取材比較廣泛：材料可以為鎳、銅、金、鎳鈷合金、塑料等；（3）可以制作復(fù)雜圖形結(jié)構(gòu)；（4）可以重復(fù)復(fù)制。4、LIGA技術(shù)特點7.4.2準(zhǔn)LIGA技術(shù)

LIGA技術(shù)采用同步輻射X射線光源，加工時間比較長，工藝過程復(fù)雜，價格昂貴。為克服LIGA技術(shù)的缺陷，出現(xiàn)了準(zhǔn)LIGA技術(shù)。用深層刻蝕工藝代替同步輻射X射線深層光刻，然后進(jìn)行后續(xù)的微電鑄和注塑過程。它不需要昂貴的同步輻射光源和特殊的LIGA掩膜板。利用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕設(shè)備進(jìn)行高深寬比塑料或硅刻蝕后，從硅片上直接進(jìn)行微電鑄，得到金屬模具后再進(jìn)行微復(fù)制工藝，就可實現(xiàn)微機(jī)械器件的大批量生產(chǎn)。利用此技術(shù)既可制造非硅材料高深寬比的微結(jié)構(gòu)，又有與微電子技術(shù)更好的兼容性。7.4.2準(zhǔn)LIGA技術(shù)7.5微細(xì)電火花加工

7.5.1微細(xì)電花火加工的特點與實現(xiàn)條件微細(xì)電火花加工原理與普通電火花加工并無本質(zhì)區(qū)別。但也具有一些特點：（1）放電面積很?。何⒓?xì)電火花加工的電極一般在5um-100um之間，放電面積不到20um2，這么小的放電面積極易造成放電位置和時間的集中，增大了放電過程的不穩(wěn)定，使微細(xì)電火花加工變得困難；（2）單個脈沖放電能量很小：為了保證加工精度和表面質(zhì)量，單個脈沖去除量控制在0.01um-0.1um范圍內(nèi)，要求單個脈沖能量控制在10-6J-10-7J之間；7.5微細(xì)電火花加工（3）放電間隙很小：放電間隙的大小隨加工條件的變化而變化，數(shù)值從數(shù)微米到數(shù)百微米不等，放電間隙的控制與變化規(guī)律直接影響到加工質(zhì)量、加工穩(wěn)定性和加工效率；（4）工具電極制備困難：要加工尺寸很小的微小孔和微細(xì)型腔，必須先獲得比其更小的微細(xì)工具電極，同時還要求加工系統(tǒng)的主軸回轉(zhuǎn)精度達(dá)到極高的水準(zhǔn)，一般控制在1um以內(nèi)；（5）排屑困難，不易獲得穩(wěn)定火花放電狀態(tài)。（3）放電間隙很?。悍烹婇g隙的大小隨加工條件的變化而變化，數(shù)7.5.2微細(xì)電火花加工關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)微細(xì)電火花加工的關(guān)鍵技術(shù)有加工工藝和設(shè)備兩個方面，包括：微細(xì)電極的制作、高精度微進(jìn)給驅(qū)動裝置、微小能量脈沖電源技術(shù)、加工狀態(tài)檢測與控制系統(tǒng)。

1、微細(xì)電極的在線制作與檢測

1）微細(xì)電極的在線制作微細(xì)電極制作的傳統(tǒng)方法有兩種：一種方法是通過冷拔得到細(xì)金屬絲，矯直后安裝到電火花機(jī)床上；一種是用切削、磨削等方法制作；但存在精度和重復(fù)性的問題。微細(xì)電極在線制作可以克服該缺陷，在線制作方法主要有反拷塊加工和線電極電火花磨削。7.5.2微細(xì)電火花加工關(guān)鍵技術(shù)

反拷塊方式在線制作微細(xì)電極：以反拷塊為工具，以待加工微細(xì)電極為工件完成電極的在線制作。由于反拷塊工作面與工作臺面存在垂直度誤差以及反拷塊本身的平面度誤差等，加工出的微細(xì)電極存在加工錐度等誤差，且由于反拷塊電極本身的損耗現(xiàn)象，加工的電極尺寸不易控制。線電極電火花磨削：加工工程中，由于線電極與待制作電極間為點接觸，因此極易實現(xiàn)微能放電。線狀工具電極沿導(dǎo)向槽緩慢連續(xù)移動，金屬絲的移動，使加工過程可不考慮電極損耗所帶來的影響。導(dǎo)向器沿工件的徑向做微進(jìn)給，而工件隨主軸旋轉(zhuǎn)的同時做軸向進(jìn)給，通過控制工件的旋轉(zhuǎn)與分度及導(dǎo)向器的位置，可以加工出多種不同形狀的電極。反拷塊方式在線制作微細(xì)電極：以反（a）（b）微細(xì)電極的在線制作（a）反拷塊方式；（b）WEDG方式1-脈沖電源；2-工件；3-反拷塊；4-導(dǎo)向器；5-工作液（a）（b）2）微細(xì)電極的在線檢測目前對微細(xì)電極的檢測一般采用試切方式進(jìn)行，即通過電極所加工孔的尺寸來間接推算微細(xì)電極的直徑。

2、脈沖電源微細(xì)電火花加工對脈沖電源的要求是單脈沖放電的能量小而且可控。單脈沖放電能量決定了放電凹坑的直徑和深度大小，從而也決定了電火花加工的表面質(zhì)量。放電能量主要決定于峰值電流和放電脈寬。為了滿足微細(xì)電火花加工要求，放電電流一般不應(yīng)小于數(shù)百毫安，而脈沖寬度減小到1us左右。這樣，就要求脈沖電源的頻率要求很高。2）微細(xì)電極的在線檢測

目前，微小能量脈沖電源主要有兩種形式：獨(dú)立式晶體管脈沖電源和弛張式RC脈沖電源。

RC脈沖電源是利用電容器充電儲存電能、而后瞬時放出的原理工作的。日前，微細(xì)電火花加工用的脈沖電源多為弛張式RC電源。弛張式RC電源放電過程中存在兩個問題：（1）沒有取消電離環(huán)節(jié)，發(fā)生電弧性脈沖放電現(xiàn)象；（2）脈沖能量不可控，脈沖能量的一致性差；出現(xiàn)了可控RC微細(xì)電火花加工脈沖電源，主要由弛張式RC脈沖電源、充電控制開關(guān)管V1、消電離控制開關(guān)管V2和檢測控制電路組成。目前，微小能量脈沖電源主要有兩種形式：

實現(xiàn)過程為：①當(dāng)V1導(dǎo)通、V2截止時，直流電源通過限流電阻R、開關(guān)管V1向電容C充電，此時放電通道沒有電流，處于消電離狀態(tài)；②電容C充電至設(shè)定值，V1截止，切斷充電回路，V2導(dǎo)通，電容C通過V2擊穿工件和電極的間隙，產(chǎn)生放電；③電容C放電至設(shè)定值，V2截止，V1導(dǎo)通，重復(fù)①，形成微細(xì)電火花的循環(huán)加工。實現(xiàn)過程為：可控RC微細(xì)電火花加工電源直流電源RV1V2C檢測控制電路可控RC微細(xì)電火花加工電源直流電源RV1V2C檢測控制電路

（3）高精度微進(jìn)給驅(qū)動裝置微進(jìn)給機(jī)構(gòu)是實現(xiàn)微細(xì)電火花加工的前提和保證。近年來一些新型微進(jìn)給機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)，很好地解決了微細(xì)電火花加上中微小步距進(jìn)給的難題。①蠕動式壓電陶瓷微進(jìn)給機(jī)構(gòu)②沖擊式微進(jìn)給機(jī)構(gòu)③橢圓式微進(jìn)給機(jī)構(gòu)④線性超聲馬達(dá)微進(jìn)給機(jī)構(gòu)（3）高精度微進(jìn)給驅(qū)動裝置蠕動式壓電微進(jìn)給原理蠕動式壓電微進(jìn)給原理（5）工作液工作液在加工中起到多種作用：有利于電蝕產(chǎn)物排除；放電后極間消電離，防止破壞性電弧出現(xiàn)；加速間隙中物質(zhì)的降溫。工作液的種類、成分、特性對加工過程和工藝結(jié)果有顯著影響。在常規(guī)電火花加工中，主要采用油基工作液，例如，電火花加工專用液、煤油等。（5）工作液

7.5.3基于LIGA技術(shù)的微細(xì)電火花加工

利用LIGA技術(shù)為微細(xì)電火花加工提供電極制備手段，然后再進(jìn)行微細(xì)放電加工，是近年的一個主要研究方向。

LIGA技術(shù)可以制作出具有高深寬比的金屬微結(jié)構(gòu)件，但是材料局限于鎳和銅。將LIGA制造出的銅微結(jié)構(gòu)件作為微細(xì)電火花加工的電極，發(fā)揮電火花加工可以加工任意導(dǎo)電材料的優(yōu)點，就能制作出材料綜合性能更好的微結(jié)構(gòu)或器件。同時，如果電極損耗得到很好的控制，將可以加工出更高深寬比的微結(jié)構(gòu)件。7.5.3基于LIGA技術(shù)的微細(xì)電火花加工7.5.4.微細(xì)電火花線切割加工微細(xì)電火花線切割加工是指加工過程中采用鎢合金或其他材料的微細(xì)電極絲（直徑為10μｍ~50μｍ）進(jìn)行切割，主要用于加工輪廓尺寸在0.1mm~1mm的工件。由于屬于非接觸式加工，加工過程中不存在切削力，因此能夠保證加工過程的一致性。7.5.4.微細(xì)電火花線切割加工微細(xì)電火花加工微細(xì)電火花加工微細(xì)電火花加工微細(xì)電火花加工

7.6微細(xì)切削加工技術(shù)微細(xì)切削加工是指微小尺寸零件的切削加工技術(shù)，其能達(dá)到極高的加工精度和極微細(xì)的尺寸，已經(jīng)成為微細(xì)加工領(lǐng)域的重要手段。

7.6.1.微切削加工機(jī)理在微細(xì)切削時，由于工件尺寸很小，從強(qiáng)度和剛度上不允許有大的吃刀量，同時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，晶粒就被作為一個一個的不連續(xù)體來進(jìn)行切削，這時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)力就急速地增加并變得非常大。7.6微細(xì)切削加工技術(shù)

1、切屑和表面形成

從晶格位錯的產(chǎn)生和消失情況看，切屑像是被刀具平穩(wěn)地移走了一樣，而錯位晶格則滲入切削刃底部的工件表面內(nèi)。在切削刃走過后，所有滲入工件表面內(nèi)的位錯晶格開始向后移動并且最終在工件表面消失。由于工件材料本身具有彈性恢復(fù)功能，因此在工件表面形成了原子級的階梯。殘留在工件表面上的階梯高度被認(rèn)為是微切削加工過程中最終獲得的表面粗糙度。剪切區(qū)位錯移動1、切屑和表面形成從晶格位

（2）切削力微切削時切削力的幅值雖然不大，但其單位切削力卻極大。微細(xì)切削時，隨著切削深度的增加切削力卻在減小。（3）切削溫度微細(xì)切削的溫度是非常低的，這是由低的切削能量和金剛石刀具和工件的高導(dǎo)熱性造成。由于加工尺度和刀具尺度的微小化，使得刀具上很小的溫升就會導(dǎo)致刀桿的膨脹并引發(fā)加工精度的下降，切削溫度通常被認(rèn)為是決定刀具磨損率的主要因素。（2）切削力7.6.2微細(xì)切削

1、微細(xì)切削工藝（1）刀具

微細(xì)車削一般采用金剛石刀具。金剛石車刀一般是把金剛石固定在小刀頭上，小刀頭用螺釘或壓板固定在車刀刀桿上。

不重磨金剛石刀具形狀7.6.2微細(xì)切削不重

（2）切削速度實際選擇的切削速度常根據(jù)所用機(jī)床的動態(tài)特性和工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性選取，即選擇振動最小的轉(zhuǎn)速。因為在該轉(zhuǎn)速時表面粗糙度值最小，加工質(zhì)量最高。（3）進(jìn)給量和修光刃為使加工表面粗糙度降低，微細(xì)車削時都采用很小的進(jìn)給量，并且刀具帶修光刃。修光刃可以減小加工表面粗糙度值。實驗表明，在微細(xì)車削時修光刃的長度一般?。?.05~0.10）mm較為適宜。（2）切削速度

（4）刀刃鋒銳度刀刃鋒銳度對加工表面質(zhì)量有很大影響，刀刃鋒銳度可用刀具刃口半徑ρ來表征。ρ是微細(xì)和超微細(xì)切削加工中的一個關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。ρ值一般采用掃描電鏡在放大（20000~30000）倍時測量。目前常用的金剛石刀具的刀刃鋒銳度ρ=0.2um-0.3um。（5）積屑瘤與工作液積屑瘤的產(chǎn)生對加工表面粗糙度影響極大。要減小表面粗糙度值，應(yīng)消除或減小積屑瘤，使用合理的工作液可達(dá)到此目的。（4）刀刃鋒銳度金剛石刀具及其加工的微細(xì)軸金剛石刀具及其加工的微細(xì)軸微細(xì)鉆削的微孔微細(xì)鉆削的微孔

2、微細(xì)切削機(jī)床

日本通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)院機(jī)械工程實驗室MEL于1996年開發(fā)了世界上第一臺微型化的機(jī)床—微型車床。微型車床2、微細(xì)切削機(jī)床微型車床

下圖所示的一種微細(xì)車床系統(tǒng)（日本金沢大學(xué)研制），由微細(xì)車床、控制單元、光學(xué)顯微裝置和監(jiān)視器組成。一種微細(xì)車床系統(tǒng)下圖所示的一種微細(xì)車床系統(tǒng)（日本金沢大放在手提箱里的機(jī)械廠放在手提箱里的機(jī)械廠7.6.3微細(xì)銑削

1、微細(xì)銑削刀具

微細(xì)銑刀的制作技術(shù)是微細(xì)銑削的難點之一。采用離子束加工技術(shù)制作微細(xì)銑刀是一種可行的方法。在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)加速聚焦，形成高速離子束流，轟擊刀具材料進(jìn)行加工。它是靠離子撞擊產(chǎn)生的變形、破壞等方式進(jìn)行微機(jī)械加工。

離子束加工出的2刃、4刃、6刃微細(xì)端銑刀7.6.3微細(xì)銑削離子束加工2、微細(xì)銑床

FANUC公司和有關(guān)大學(xué)合作研制的車床型超精密銑床，在世界上首例用切削方法實現(xiàn)了自由曲面微細(xì)加工，而且可利用CAD/CAM技術(shù)實現(xiàn)三維數(shù)控加工，具有生產(chǎn)率高、加工精度高的特點。

車床型微細(xì)銑床2、微細(xì)銑床車床型微細(xì)銑床微細(xì)銑削加工的頭像微細(xì)銑削加工的頭像

7.7薄膜氣相沉積技術(shù)

7.7.1物理氣相沉積

物理氣相沉積（PhysicalVaporDeposition，PVD）指的是利用某種物理過程，如物質(zhì)的熱蒸發(fā)或在受到粒子束轟擊時物質(zhì)表面原子的濺射等現(xiàn)象，實現(xiàn)物質(zhì)從源物質(zhì)到薄膜的原子可控的轉(zhuǎn)移過程。主要工藝方法有：蒸發(fā)法、濺射法、離子鍍、反應(yīng)蒸發(fā)沉積等，其中最為基本的兩種方法是蒸發(fā)法和濺射法。

7.7薄膜氣相沉積技術(shù)

1、蒸發(fā)法蒸發(fā)法是指固態(tài)或液態(tài)材料被加熱到足夠高溫度時會發(fā)生汽化，由此產(chǎn)生的蒸汽在較冷的基體上沉積下來就形成了固態(tài)薄膜。蒸發(fā)鍍膜過程可以分三個階段：①從蒸發(fā)源開始的熱蒸發(fā)②蒸發(fā)料原子或分子從蒸發(fā)源向基片轉(zhuǎn)移③蒸發(fā)料原子或分子淀積在基片上1、蒸發(fā)法真空蒸發(fā)法

加工原理：在蒸發(fā)過程中，將欲沉積在基底上的物質(zhì)放在坩堝內(nèi)加熱到熔融溫度以上，由于熱能的作用，一些原子通過蒸發(fā)沉積在基底上，在基底上形成薄而均勻的薄膜。基層坩堝加熱源真空蒸發(fā)法加工原理：在蒸發(fā)過程中，將欲沉積在基底

2、濺射法

濺射法是利用帶有電荷的離子在電場中加速后具有一定動能的特點，將離子引向欲被濺射的靶電極。在離子能量合適的情況下，入射的離子將在與靶表面的原子的碰撞過程中使后者濺射出來。這些被濺射出來的原子將帶有一定的動能，并且會沿著一定的方向射向襯底，從而實現(xiàn)在襯底上薄膜的沉積。2、濺射法直流濺射沉積裝置的示意圖

把靶材作為陰極，相對于陽極的襯底加有數(shù)千伏的電壓。系統(tǒng)抽真空后，充入適當(dāng)壓力的惰性氣體，在正負(fù)電極作用下，氣體原子大量電離成為正離子和電子，其中電子飛向陽極，正離子在高壓電場的加速下高速飛向陰極靶材，并與靶材的撞擊過程中釋放出能量，使大量的靶材原子獲得相當(dāng)高的能量，脫離靶材束縛飛向襯底形成薄膜。直流濺射沉積裝置的示意圖把靶材作為陰極，相對于陽極

與受熱過程相比，濺射法有2個優(yōu)點：