微细加工技术概述

微细加工技术概论一、微细加工技术的出现•制造技术是直接创造财富的基础，是国民经济得以发展和制造业本身赖以生存的主体技术。•微细加工技术是制造微小尺寸零件的加工技术。•现代制造技术的发展有两大趋势：一是向着自动化、柔性化、集成化、智能化等方向发展，使现代制造成为一个系统，即现代制造系统的自动化技术；另一个就是寻求固有制造技术的自身加工极限。微小机械学发展微机械或微电子机械系统(MEMS)是20世纪80年代后期发展起来的一门新兴学科。它给国民经济、人民生活和国防、军事等带来了深远的影响，被列为21世纪关键技术之一。随着微/纳米科学与技术的发展，以形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已成为人们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术。微机械由于具有能够在狭小空间内进行作业而又不扰乱工作环境和对象的特点，在航空航天、精密仪器、生物医疗等领域有着广阔的应用潜力，受到世界各国的高度重视。微小机械学发展•微机械涉及的基本技术主要有：微机械设计；微机械材料；微细加工；集成技术；微装配和封接；微测量；微能源；微系统控制等。•微机械的制造和生产离不开微细加工技术。微小机械学发展机械的微型化及相关的制造技术传统机械纳米机械微小型机械传统制造技术微细制造技术MEMS技术纳米制造技术二、微细加工的概念及其特点微细加工技术的产生和发展一方面是加工技术自身发展的必然，同时也是新兴的微型机械技术发展对加工技术需求的促进。超精加工在20世纪的科技发展中做出了巨大的贡献。东京工业大学的谷口纪男教授首先提出了纳米技术术语，明确提出以纳米精度为超精密加工的奋斗目标。微细加工的概念所谓微细加工技术就是指能够制造微小尺寸零件的加工技术的总称。•广义地讲，微细加工技术包含了各种传统精密加工方法和与其原理截然不同的新方法，如微细切削磨料加工、微细特种加工、半导体工艺等；•狭义地讲，微细加工技术是在半导体集成电路制造技术的基础上发展起来的，微细加工技术主要是指半导体集成电路的微细制造技术，如气相沉积、热氧化、光刻、离子束溅射、真空蒸镀等。微细加工的概念目前微细加工领域的几大流派：•以美国为代表的硅基MEMS技术•以德国为代表的LIGA技术•以日本为代表的机械加工方法的微细化他们的研究与应用情况基本代表了国际微细加工的水平和方向，应密切关注。微细加工与常规尺寸的加工的机理是截然不同的。微细加工与一般尺度加工的主要区别体现在：1.加工精度的表示方法不同。在一般尺度加工中，加工精度常用相对精度表示；而在微细加工中，其加工精度则用绝对精度表示。加工单位概念的引入。2.加工机理存在很大的差异。由于在微细加工中加工单位的急剧减小，此时必须考虑晶粒在加工中的作用。3.加工特征明显不同。一般加工以尺寸、形状、位置精度为特征；微细加工则由于其加工对象的微小型化，目前多以分离或结合原子、分子为特征。微细加工的概念微细加工作为精密加工领域中的一个极重要的关键技术，目前有如下的几个特点：1.微细加工和超微细加工是多学科的制造系统工程；2.微细加工和超微细加工是多学科的综合高新技术；3.平面工艺是微细加工的工艺基础；4.微细加工技术和精密加工技术互补；5.微细加工和超微细加工与自动化技术联系紧密；6.微细加工检测一体化。微细加工的特点三、微细加工机理微细切削加工为微量切削，又可称之为极薄切削。机理与一般普通切削有的很大区别。在微细切削时，由于工件尺寸很小，从强度和刚度上不允许有大的吃刀量，同时为保证工件尺寸精度的要求，最终精加工的表面切除层厚度必须小于其精度值，因此切屑极小，吃刀量可能小于晶粒的大小，切削就在晶粒内进行，晶粒就被作为一个一个的不连续体来进行切削，这时切削不是晶粒之间的破坏，切削力一定要超过晶体内部非常大的原子、分子结合力，刀刃上所承受的切应力就急速地增加。微细加工机理1．切削厚度与材料剪切应力关系在微切削时，切削往往在晶粒内进行，切削力一定要超过晶体内部的分子、原子结合力，其单位面积的切削阻力(N／mm2)急剧增大，刀刃上所承受的剪切应力变得非常大，从而在单位面积上会产生很大的热量，使刀刃尖端局部区域的温度极高，因此要求采用耐热性高、高温硬度高、耐磨性强、高温强度好的刀刃材料，即超高硬度材料，最常用的是金刚石等。微细加工机理2．材料缺陷分布的影响材料微观缺陷分布或材质不均匀性，可以归纳为以下几种情况：1)晶格原子(～10-6mm)在晶格原子空间的破坏就是把原子一个个去除。2)点缺陷(10-6～10-4mm)点缺陷就是在晶粒结构中存在着空位和填隙原子。点缺陷空间的破坏就是以点缺陷为起点来增加晶格缺陷的破坏。3)位错缺陷(10-4～10-2mm)位错缺陷就是晶格位移和微裂纹，它在晶体中呈连续的线状分布，故又称为线缺陷。在晶体内部，一般情况下大约1m左右的间隔内就有一个位错缺陷。4)晶界、空隙和裂纹(10-2～1mm)它们的破坏是以缺陷面为基础的晶粒间破坏。5)缺口(1mm以上)缺口空间的破坏是由于拉应力集中而引起的破坏。在微切削去除时，当应力作用的区域在某个缺陷空间范围内，则将以与该区域相应的破坏方式而破坏。各种破坏方式所需的加工能量也是不同的。微细加工机理不同微细加工方法的加工机理根据各种方法的加工机理的不同，微细加工可大致分为3大类：分离加工将材料的某一部分分离出去的加工方式，如切削、分解、刻蚀、溅射等。大致可分为切削加工、磨料加工、特种加工及复合加工等。结合加工同种或不同种材料的附加或相互结合的加工方式，如蒸镀、沉积、生长、渗入等。可分为附着、注入和接合三类。附着是指在材料基体上附加一层材料；注入是指材料表层经处理后产生物理、化学、力学性能的改变，也可称之为表面改性；接合则是指焊接、粘接等。变形加工使材料形状发生改变的加工方式，如塑性变形加工、流体变形加工等。四、高能束流微细特种加工技术高能束流加工是利用能量密度很高的电子束、激光束或离子束等去除工件材料的特种加工方法的总称。高能束流高能束流微细特种加工技术特点与应用：属于非接触加工，无成形工具，而且几乎可以加工任何材料，在精微加工、航空航天、电子、化工等领域中应用极广。多学科交叉：其研究内容极为丰富，涉及光学、电学、热力学、冶金学、金属物理、流体力学、材料科学、真空学、机械设计和自动控制以及计算机技术等多种学科，是一种典型的多学科交叉技术。1、电子束微细加工技术电子束加工原理1-工件2-电子束3-偏转线圈4-电磁透镜电子束加工的原理电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高(106～109W/cm2)的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，在很短的时间(几分之一微秒)内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。电子束微细加工的特点1)束径小、能量密度高。能聚焦到0.1µm，功率密度可达109W／cm2量级。2)可加工材料的范围广。对非加工部分的热影响小，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。3)加工效率高。每秒钟可以在2.5mm厚的钢板上钻50个直径为0.4mm的孔。4)控制性能好。5)电子束加工温度容易控制。6)污染小。电于束加工的缺点是必须在真空中进行，需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵。电子束加工装置1、工作台系统2、偏转线圈3、电磁透镜4、光阑5、加速阳极6、发射电子的阴极7、控制栅极8、光学观察系统9、带窗真空室门10、工件电子束加工装置主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。阴极经电流加热发射电子，带负电荷的电子高速飞向阳极，在飞向阳极的过程中，经过加速极加速，又通过电磁透镜聚焦而在工件表面形成很小的电子束束斑，完成加工任务。1)电子枪电子枪是获得电子束的装置。它主要包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等。发射阴极一般用钨或钽制成。小功率时用钨或钽做成丝状阴极；大功率时用钽做成块状阴极。控制栅极为中间有孔的圆筒形，其上加以较阴极为负的偏压，既能控制电子束的强弱，又有初步的聚焦作用。加速阳极通常接地，而阴极接很高的负电压。2)真空系统真空系统是为了保证在电子束加工时维持(1.33×10-21.33×10-4)Pa的真空度。因为只有在高真空中，电子才能高速运动。3)控制系统和电源电子束加工装置的控制系统包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制以及工作台位移控制等。电子枪1、发射电子的阴极2、控制栅极3、加速阳极4、工件电子束加工装置根据其功率密度和能量注入时间的不同，电子束加工可用于打孔、切割、蚀刻、焊接、热处理和光刻加工等。归纳起来，电子束在微细加工领域中的应用分为两大类：电子束热微细加工和电子束化学微细加工。化学微细加工热微细加工电子束微细加工分离加工焊接镀膜掺杂退火电子束打孔电子束切割图形光刻化学反应镀膜电子束扫描曝光电子束投影曝光电子束微细加工的分类熔炼电子束微细加工的应用应用一：电子束热微细加工第一类为电子束热微细加工，电子束的能量较大(30keV几百keV)，又称为高能量密度电子束加工，它是利用电子束的热效应，将电子束的动能在材料表面转换成热能而对材料实施加工的。应用一：电子束热微细加工高能量密度电子束加工因工件表面束流斑点的功率密度的不同又分为几种不同的加工方法：1)当束流斑点功率密度为(10102)w／mm2时，工件表面不熔化，主要用于电子束热处理；2)当束流斑点功率密度为(102105)w／mm2时，工件表面熔化，也有少量气化，主要用于电子束焊接和熔炼；3)当束流斑点的功率密度为(105108)w／mm2时，工件产生气化，主要用于电子束打孔、刻槽、切缝、镀膜和雕刻。电子束打孔目前电子束打孔的最小直径已经可达φ0.001mm左右，而且还能进行深小孔加工，如孔径在0.5-0.9mm时，其最大孔深已超过10mm，即孔的深径比大于15：1。与其它微孔加工方法相比，电子束的打孔效率极高，通常每秒可加工几十至几万个孔。利用电子束打孔速度快的特点，可以实现在薄板零件上快速加工高密度孔，这是电子束微细加工的一个非常重要的特点。电子束打孔已在航空航天、电子、化纤以及制革等工业生产中得到实际应用。利用电子束在磁场中偏转的原理，使电子束在工件内部偏转，还可以利用电子束加工弯孔和曲面。电子束切割电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺，在焊接不同的金属和高熔点金属方面显示了很大的优越性，已成为工业生产中的重要特种工艺之一。电子束焊接具有以下的工艺特点：(1)焊接深宽比高。(2)焊接速度高，易于实现高速自动化。(3)热变形小。(4)焊缝物理性能好。(5)工艺适应性强。(6)焊接材料范围广。电子束微细焊接第二类为电子束化学微细加工，电子束的能量较小，一般小于30keV，主要用于大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路(VLSI)复杂图形的制备以及光刻掩膜图形的制备。它利用电子束流的非热效应，功率密度较小的电子束流与电子胶(又称电子抗蚀剂)相互作用，电能转化为化学能，产生辐射化学或物理效应，使电子胶的分子链被切断或重新组合而形成分子量的变化以实现电子束曝光。包括电子束扫描曝光和电子束投影曝光。电子束曝光微细加工技术，已经成为生产集成电路元件的关键性加工手段。应用二：电子束化学微细加工目前微细加工中采用的曝光技术主要有电子束曝光技术、离子束曝光技术、X射线曝光技术、准分子激光曝光技术等。其中：离子束曝光技术具有最高的分辨率；紫外准分子激光曝光技术具有最佳的经济性；电子束曝光技术则代表了最成熟的亚微米级曝光技术。电子束曝光微细加工技术电子束曝光主要分为两类：扫描电子束曝光，又称电子束线曝光；投影电子束曝光，又称电子束面曝光。电子束扫描是将聚焦到小于1µm的电子束斑在大约(0.55)mm的范围内按程序扫描，可曝光出任意图形。扫描电子束曝光除了可以直接描画亚微米图形之外，还可以制作掩膜，这是其得以迅速发展的原因之一。投影电子束曝光的方法是使电子束先通过原版，再按比例缩小投影到电致抗蚀剂上进行大规模集成电路图形的曝光。它可以在几毫米见方的硅片上安排十万个以上晶体管或类似