微細加工技術

微細加工技術2024/10/242024/10/24一、制造技術自身加工的極限第1節(jié)微細加工技術的出現現代制造技術的兩大發(fā)展趨勢：1)自動化、柔性化、集成化、智能化等方向發(fā)展--制造系統(tǒng)自動化；2)極小尺度、極大尺度和極端功能。微細加工---屬于極小尺度的精密加工范疇。2024/10/24二、微細加工出現的歷史背景1.精密機械儀器儀表零件的微細加工2.電子設備微型化和集成化的需求微細加工是電子設備微型化和集成化的關鍵技術之一。3.集成電路的制作技術集成電路是電子設備微型化和集成化中的重要元件。微細加工技術的出現和發(fā)展與集成電路密切相關。微機械的主要產品分類微構件（微薄膜、微軸、微孔、微梁、微探針、微連桿、微齒輪、微軸承、微彈簧）微傳感器（壓力傳感器、加速度計、位移傳感器、流量計、溫度傳感器、微觸覺傳感器、微型生物傳感器、微型圖像傳感器、微陀螺儀）微執(zhí)行器（微電機、微閥、微泵、微開關、微揚聲器、微諧振器）專用微機械器件及系統(tǒng)（人造器官、體內施藥及取樣微型泵、微型手術機器人）2024/10/24集成了17個傳感器的機器螞蟻（MIT）IROBOT公司的PACKBOT反恐機器人微小軍用機昆蟲2024/10/24一、微細加工的概念第2節(jié)微細加工的概念和加工方法微細加工技術：廣義上包含各種傳統(tǒng)精密加工方法和與傳統(tǒng)精密加工方法完全不同的新方法；狹義上，半導體集成電路制造技術。整體微細加工技術：用各種微細加工方法在集成電路基片上制造出各種微型運動機械，即微型機械和微型機電系統(tǒng)。2024/10/24二、微細加工方法分類微細加工方法分類與精密加工方法相同.考慮加工對象與集成電路關系密切,一般按分離加工、結合加工、變形加工的加工機理分類.分類加工方法可加工材料應用切削加工（傳統(tǒng)加工）等離子體切削微細切削微細鉆削各種材料有色金屬及其合金低碳鋼、銅、鋁熔斷鉬、鎢等高熔點材料，硬質合金球，磁盤，反射鏡，多面棱鏡油泵油嘴，化學噴絲頭，印刷電路板磨料加工（傳統(tǒng)加工）微細磨削研磨拋光彈性發(fā)射加工噴射加工黑色金屬、硬脆材料金屬、半導體、玻璃金屬、半導體、玻璃金屬、非金屬金屬、玻璃、水晶集成電路基片的外圓、平面磨削平面、孔、外圓加工，硅片基片平面、孔、外圓加工，硅片基片硅片基片刻槽，切斷，圖案成形，破碎特種加工（非傳統(tǒng)加工）電火花成形加工電火花切割加工電解加工超聲波加工微波加工電子束加工粒子束去除加工激光去除加工光刻加工導電金屬，非金屬導電金屬金屬，非金屬硬脆金屬，非金屬絕緣金屬，半導體各種材料各種材料各種材料金屬，非金屬，半導體孔，溝槽，狹縫，方孔，型腔切斷，切槽模具型腔，大空，切槽，成形刻模，落料，切片，打孔，刻槽在玻璃、紅寶石、陶瓷等上打孔打孔，切割，光刻成形表面，刃磨，割蝕打孔，切斷，劃線劃線，圖形成形復合加工電解磨削電解拋光化學拋光各種材料金屬，半導體金屬，半導體刃磨，成形，平面，內圓平面，外圓，型面，細金屬絲，槽平面2024/10/24分離加工分類加工方法可加工材料應用附著加工蒸鍍分子束鍍膜分子束外延生長離子束鍍膜電鍍(電化學鍍)電鑄噴鍍金屬金屬金屬金屬、非金屬金屬金屬金屬、非金屬鍍膜、半導體器件鍍膜、半導體器件半導體器件干式鍍膜、半導體器件、刀具、工具電鑄型、圖案成形、印制線路板噴絲板、柵網、網刃、鐘表零件圖案成形、表面改性注入加工離子束注入氧化、陽極氧化擴散激光表面處理金屬、非金屬金屬金屬、半導體金屬半導體摻雜絕緣層摻雜、滲碳、表面改性表面改性、表面熱處理結合加工電子束焊接超聲波焊接激光焊接金屬金屬金屬、非金屬難熔金屬、化學性能活潑金屬集成電路引線鐘表零件、電子零件2024/10/24結合加工加工方法可加工材料應用壓力加工鑄造(精鑄、壓鑄)金屬金屬、非金屬板、絲的壓延、精沖、拉拔、擠壓、波導管、衍射光柵集成電路封裝、引線2024/10/24變形加工2024/10/241-發(fā)射陰極2-控制柵極3-加速陽極4-聚焦系統(tǒng)5-電子束斑點6-工件7-工作臺一、微細加工的基礎技術第3節(jié)微細加工方法1.電子束加工電子束加工（electronbeammachining，EBM）是在真空條件下，利用電子槍中產生的電子經加速、聚焦后能量密度為106～109w/cm2的極細束流高速沖擊到工件表面上極小的部位，并在幾分之一微秒時間內，其能量大部分轉換為熱能，使工件被沖擊部位的材料達到幾千攝氏度，致使材料局部熔化或蒸發(fā)，來去除材料。利用電子束熱效應加工2024/10/24束徑小、能量密度高；束徑100-0.01μm，可加工深孔被加工對象范圍廣；金屬、非金屬、半導體等材料加工速度快，效率高；控制性能好，易于實現自動化。電子束加工特點及其應用2024/10/24第4節(jié)微細加工方法2.離子束加工離子束加工（ionbeammachining，IBM）是在真空條件下利用離子源（離子槍）產生的離子經加速聚焦形成高能的離子束流投射到工件表面，使材料變形、破壞、分離以達到加工目的。因為離子帶正電荷且質量是電子的千萬倍，且加速到較高速度時，具有比電子束大得多的撞擊動能，因此，離子束撞擊工件將引起變形、分離、破壞等機械作用，而不像電子束是通過熱效應進行加工。2024/10/24(1)離子束的力效應及其濺射現象離子束濺射現象：質量大動能高的離子沖擊工件表面時，將產生彈性碰撞，將能量傳遞給工件材料的原子、分子，其中一部分能量使原子、分子產生濺射，被拋出工件表面。直線彈性一次碰撞所傳遞動能2024/10/24(2)離子束加工方法1)離子束濺射去除離子刻蝕這種加工本質上屬于一種原子尺度的切削加工，通常又稱為離子銑削。離子束刻蝕可用于加工空氣軸承的溝槽、打孔、加工極薄材料及超高精度非球面透鏡，還可用于刻蝕集成電路等的高精度圖形。2024/10/24離子濺射沉積采用能量為0.1～5keV的氬離子轟擊某種材料制成的靶材，將靶材原子擊出并令其沉積到工件表面上并形成一層薄膜。實際上此法為一種鍍膜工藝。2024/10/242)離子束濺射鍍膜加工具有高靈敏度和分辨力。能對線寬小于0.1μm的精密精細圖形曝光。2024/10/243)離子束曝光2024/10/24(3)離子束加工的特點及其應用1)加工精度和表面質量高。不產生熱量，無機械應力和損傷。離子束直徑可在1μm內，加工精度可達nm級。2)加工材料廣泛。各種材料3)加工方法豐富多樣。4)控制性能好，易于實現自動化。5)應用范圍廣泛。直徑小、能量密度大的離子束用于加工；直徑大、能量密度低的離子束適于鍍膜、刻蝕；直徑大、能量強的離子束適于注入加工。2024/10/24微細加工的基礎技術第4節(jié)微細加工方法3.激光束加工激光加工（laserbeammachining，LBM）是在光熱效應下產生的高溫熔融和沖擊波的綜合作用過程。

通過光學系統(tǒng)將激光束聚焦成尺寸與光波波長相近的極小光斑，溫度可達一萬攝氏度，將材料在瞬間（10-3s）熔化和蒸發(fā)，熔融物被產生的強烈沖擊波噴濺出去。激光加工機理—熱效應2024/10/24激光加工方法1)激光打孔最小孔徑幾微米，深度可達直徑的50倍。孔徑和深度可采用經驗公式估算。2024/10/24激光加工方法2)激光切割常采用CO2氣體激光器以連續(xù)或脈沖方式切割。3)激光微調用于調整電路中某些元件參數。(調電阻，無損傷照射，改變膜結構；高能量照射，使部分電阻膜氣化去除)4)激光表面改性改變材料表面的物理結構、化學成分和金相組織。2024/10/24(5)激光加工特點加工精度高；非接觸加工，無變形；無“刀具”磨損；無“切削力”作用于工件；熱變形區(qū)小。

加工材料范圍廣；加工性能好；加工速度快，效率高；激光加工設備目前還比較昂貴。2024/10/24二、光刻加工技術第2節(jié)微細加工方法光刻加工分為原版制作和光刻加工兩個加工階段。圖8-30光刻加工過程2024/10/24三、立體復合工藝