现代加工技术-微细加工技术课件.ppt

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1、第七章微细加工技术第七章微细加工技术ji22227.1微机械与微细加工概述7.2硅微细加工技术7.3光刻加工技术7.4LIGA技术和准LIGA技术7.5微细电火花加工7.6微细切削加工技术7.7薄膜气相沉积技术7.1微机械与微细加工概述7.1.1微机械微机械或微机电系统（MEMS）是指具有很小外形轮廓尺度的微型机械电子系统。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。一般认为，微机械依其特征尺寸可以划分为：小型机械（1mm-10mm），微型机械（1um-1mm）以及纳米机械（1nm-1um）。从广义

2、来讲，微机械包括微小型机械和纳米机械。微机械的基本特征：（1）体积小、重量轻、精度高。（2）能耗小、响应快、灵敏度高。（3）性能稳定、可靠、一致性好。（4）多功能化和智能化。（5）适于大批量生产，制造成本低廉。微机械主要产品主要有：（1）微构件：微轴、微孔、微探针、微齿轮、微连杆等；（2）微传感器：压力传感器、位移传感器、温度传感器等；（3）微执行器：微电机、微泵、微开关、微阀等；（4）专用的微机械器件及系统：如人造器官、微型手术机器人、微光学系统、微型飞机等。微型弹簧在人的头发丝上微细加工的40um的方孔微细加工的涡轮转子扑翼式微飞行器微型机器人7.1.2微细加工技术微细加工

3、技术是指能够制造微小尺寸零件的加工技术的总称。微细加工技术包含了各种传统精密加工方法以及新方法，包括：微细切削加工、微细电火花加工、电解加工、等离子体加工、激光加工、电子束加工、光刻加工、电铸加工等。微细加工是由多项技术构成的一个技术群体，主要包括：（1）由IC工艺技术发展起来的硅微细加工技术；（2）在特种加工和常规切削加工基础上发展形成的微细制造技术；（3）由上述两种技术集成的新方法，如LIGA、准LIGA技术等。微细加工与常规尺寸加工的区别：（1）加工精度的表示方法不同：一般尺度加工，加工精度常用相对精度表示，微细加工用绝对精度表示；（2）加工机理存在很大的差异：微细加工中

4、加工单位急剧减小，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，微细加工由于加工对象的微小型化，以分离或结合原子、分子为特征；特别是扫描隧道显微镜和原子力显微镜的出现，为实现单个原子作为加工加工单位创造了条件；（4）当构件缩小到一定尺寸范围时将出现尺度效应。如表现在：构件尺寸减小，材料内部缺陷减少，机械强度增加；微构件的抗拉强度、断裂强度、残余应力等与大构件不同，有些表征材料物理性能的物理量需重新定义。7.2硅微细加工技术硅微细加工主要是指以硅材料为基础制作各种微机械零部件的加工技术。它总体上可分为体加工和面加工两大类。7.2.1硅的

5、体微加工硅的体微加工（bulkmicromachining）技术是指利用刻蚀（Etching）等工艺对块状硅进行准三维结构的微加工，即去除部分基体或衬底材料，以形成所需要的硅微结构。刻蚀法分为湿法刻蚀和干法刻蚀两类。（1）湿法刻蚀湿法刻蚀是通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的化学反应将被刻蚀物质剥离下来的刻蚀方法。湿法刻蚀不仅可用于硅材料的刻蚀，也可用于金属、玻璃等很多材料，是应用非常广泛的微细结构图形制备技术。湿法刻蚀的速率取决于基底上被腐蚀材料和溶液中化学反应物的浓度以及溶液的温度，湿法刻蚀因基底材料不同可以分为各向同性刻蚀和各向异性刻蚀。1）各向同性刻蚀大多数湿法刻蚀属于不易

6、控制的各向同性刻蚀。被腐蚀的基底材料是均匀且各向同性的，容易出现塌边的现象，即在纵向刻蚀的同时，也出现侧向钻蚀。搅动刻蚀剂能够控制刻蚀速率和刻蚀结构的最终形状。搅拌的作用是加速反应物和产物的转移，保证转移在各个方向上的一致性。通过适当的搅拌，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）各向同性刻蚀（a）各向同性刻蚀（搅拌）；（b）各向同性刻蚀（不搅拌）2）各向异性刻蚀各向异性刻蚀是指某个方向上的刻蚀速率远大于另一方向。刻蚀速度与基底材料的结晶取向密切相关；硅材料是一种各向异性材料，在3个晶面上表现出不同的性质。对于特定的刻蚀剂，硅的[100]

7、晶面的腐蚀速度最快，[110]晶面次之，[111]晶面的腐蚀速度最慢。硅各向异性刻蚀在几何形状控制上具有许多优点，可以制作出许多具有垂直侧壁的微机械零件。（c）（d）各向异性刻蚀（c）各向异性刻蚀（搅拌）；（d）各向异性刻蚀（不搅拌）（2）干法刻蚀将被加工的硅片放置在等离子体中，在带有腐蚀性、具有一定能量的离子轰击下，反应生成气态物质，去除被刻蚀膜。干法刻蚀不需要大量的有毒化学试剂，不必清洗，分辨率高，各向异性腐蚀能力强，可得到较大的深宽比结构，易于自动操作。1）干法刻蚀种类①等离子刻蚀：腐