第8章微细加工技术

精密和超精密加工技术朱科军罗斌第八章微细加工技术第一节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技术纳米制造技术第二节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、半导体加工等；•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。微细加工的特点第三节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)空位和填隙原子(10-6～10-4mm)在晶粒结构中存在着空位和填隙原子是点缺陷。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。晶体中存在的杂质原子也是一种点缺陷。3)晶格位移和微裂纹(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。微细加工机理各种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（去除加工）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（附着加工）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（流动加工）通过材料流动使工件形状发生改变的加工方式，其特点是不产生切屑，典型的加工方法是压延、拉拔、挤压等。第四节微细加工方法微细加工方法可以分为切削加工、磨料加工、特种加工和复合加工四类。由于加工对象与集成电路关系密切，故采用分离加工、结合加工、变形加工这样从机理来分类较好。对于分离加工，又分为切削加工、磨料加工(分固结磨料和游离磨料)、特种加工和复合加工。对于结合加工，又可分为附着、注入、接合三类。附着指附加一层材料;注入指表层经处理后产生物理、化学、力学性质变化，可统称为表面改性，或材料化学成分改变，或金相组织变化;接合指焊接、粘接等。对于变形加工，主要指利用气体火焰、高频电流、热射线、电子束、激光、液流、气流和微粒子流等的力、热作用使材料产生变形而成形，是一种很有前途的微细加工方法。微细加工方法分类1、电子束加工电子束加工的热效应及其加工电子束加工是利用电子束的高能量密度进行钻孔、切槽、光刻等工作。电子束的热效应：由于电子束的能量密度高、作用时间短，所以其产生的热量来不及传导扩散就将工件被冲击部分局部熔化、汽化、蒸发成为雾状粒子而飞散。电子束的加工过程可用图8-4所示模型来说明。微细加工的基础技术1、电子束加工电子束加工的化学效应及其加工电子束的化学效应：用功率密度相当低的电子束照射高分子材料时，即使几乎不会引起材料表面温度的上升，也会由于入射电子和高分子相碰使其分子链切断或重新聚合，从而使材料的相对分子质量和化学性质产生变化。利用这一效应可进行电子束光刻。在电子束光刻中，电子束主要用来曝光。有两种方式：一种为电子束扫描曝光，另一种是电子束投影曝光。微细加工的基础技术电子束扫描曝光利用图形发生器，将聚焦在1μm以内的电子束在0.5~5mm的范围内自由扫描，在光致抗蚀剂上绘制图形。这种方法称为“写图”，它主要用于掩膜或基片的图形制作。电子束投影曝光它是利用电子束作为光源，使它通过原版，再以1/10~1/5的比例缩小投影到光致抗蚀剂上进行图形的曝光。这种方法的原理是缩小投影复印，故又称为电子束复印。其优点是图形精度高(图形分辨力可达0.5μm)、速度快、生产率高、成本低，可在基片或掩膜上复印。1、电子束加工电子束加工装置微细加工的基础技术电子束加工装置主要由电子枪系统、真空系统、控制系统和电源系统等组成，电子枪用来发射高速电子流，它在真空条件下，利用电流加热阴极2发射电子束，经控制栅极4初步聚焦后，由加速阳极5加速。真空系统的作用是抽真空控制系统由聚焦装置、偏转装置和工作台位移装置等组成，控制电子束束径大小、方向和工件位移。电源系统提供稳压电源、各种控制电压及加速电压。1、电子束加工电子束加工的特点微细加工的基础技术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)加工速度快、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，易于实现自动化。2、离子束加工离子束的力效应及其溅射现象离子束加工是在真空条件下，将氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)等惰性气体通过离子源产生离子束，经加速、集束、聚焦后，射到被加工表面上以实现各种加工的方法。离子束溅射现象：质量大、动能高的离子冲击工件表面时，将产生弹性碰撞，将能量传递给工件材料的原子、分子，其中一部分能量使原子、分子产生溅射，被抛出工件表面，其余能量将转变为材料晶格的振动。微细加工的基础技术2、离子束加工离子束的力效应及其溅射现象微细加工的基础技术离子碰撞过程可用图8-10所示的模型来说明，有以下几种情况:1)一次溅射：由离子直接碰撞工件表面层材料中的原(分)子，使该原(分)子分离出工件表面。2)二次溅射：由离子碰撞材料中的原(分)子，这个原(分)子又去碰撞别的原(分)子，而使后来被撞的原(分)子分离出工件表面。3)回弹溅射：有些受到离子碰撞的原(分)子，又去碰撞别的原(分)子，但自己却被反弹出工件表面外。这种情况是反向溅射或背散射。4)排斥离子：有些离子在碰撞原(分)子时，自己反被弹出工件表面外，成为被排斥的离子。可见这种情况下没有溅射去除作用。5)置换离子：离子撞击工件表面时被留于表面层材料中，成为置换离子。这种情况也无溅射去除作用。2、离子束加工微细加工的基础技术离子束加工方法有离子束溅射去除加工、离子束溅射镀膜加工、离子束注入加工和离子束曝光等。离子束加工方法离子束溅射去除加工：离子束溅射去除加工可简称为离子束去除加工，其加工原理是利用离子溅射，主要是一次溅射和二次溅射，它是一种最典型的原子、分子加工单位的微细加工方法和超精密加工方法。离子束溅射镀膜加工：离子束溅射镀膜加工是一种原子、分子级的附着加工，所以有时又称为离子束溅射附着加工。用被加速的离子从靶材上打出原子和分子，并将它们附着到工件表面上形成镀膜。2、离子束加工微细加工的基础技术离子束加工方法有离子束溅射去除加工、离子束溅射镀膜加工、离子束注入加工和离子束曝光等。离子束加工方法离子束注入加工：离子束注入加工就是将所要注入的元素进行电离，并将正离子分离和加速，形成具有数十万电子伏特的高能离子流，轰击工件表面，离子因动能很大，被打入表层内，其电荷被中和，成为置换原子或晶格间的填隙原子，被留于表层中，使材料的化学成分、结构、性能产生变化。离子束曝光：离子束曝光的优点是有高灵敏度和分辨力。2、离子束加工微细加工的基础技术离子束加工装置与电子束加工装置基本类似，由离子源、真空系统、控制系统、电源等部分组成。离子源又称离子枪，其作用是产生离子束。大致原理：将惰性气体充入真空室中，利用高频放电、高速电子撞击、电弧放电等方法，使惰性气体被电离为等离子体，并在强电场作用下将正离子从离子源出口孔引出成束。常用的离子源主要有双等离子体型、离子簇射(流)型和高频等离子体型等。离子束加工装置1)加工精度和表面质量高2)加工材料广泛。可对各种材料进行加工3)加工方法丰富多样4)控制性能好，易于实现自动化5)应用范围广泛离子束加工的特点及其应用2、离子束加工微细加工的基础技术3、