先进制造技术 第5章 微细加工.ppt

第5章微细加工 微机械与微细加工概述硅微细加工技术光刻微细电火花加工微细切削加工技术薄膜气相沉积技术纳米加工技术 5 1微机械与微细加工概述 1 微机械 1 微机械的基本特征体积小 重量轻 结构坚固 精度高 能耗小 响应快 灵敏度高 性能稳定 可靠 一致性好 多功能化和智能化 既能感知环境又能控制环境适于大批量生产 制造成本低廉 2 微机械的主要产品分类微构件 微薄膜 微轴 微孔 微梁 微探针 微连杆 微齿轮 微轴承 微弹簧 微传感器 压力传感器 加速度计 位移传感器 流量计 温度传感器 微触觉传感器 微型生物传感器 微型图像传感器 微陀螺仪 微执行器 微电机 微阀 微泵 微开关 微扬声器 微谐振器 专用微机械器件及系统 人造器官 体内施药及取样微型泵 微型手术机器人 2 微细加工技术 1 微细加工技术构成由IC工艺技术发展起来的硅微细加工技术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由上述两种技术集成的新方法 如LIGA LIGA LIKE等 5 1微机械与微细加工概述 2 微细加工与常规尺寸加工的区别加工精度的表示方法不同 用绝对精度表示加工机理存在很大的差异 必须考虑晶粒在加工中的作用加工特征明显不同 以分离或结合原子 分子为特征当构件缩小到一定尺寸范围时将出现尺度效应 5 2硅微细加工技术 1 硅的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 主要包括刻蚀和停止刻蚀两项关键技术 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 湿法刻蚀因基底材料不同可以分为各向同性刻蚀和各向异性刻蚀 各向同性刻蚀 a b 图5 1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 SiO2掩膜 各向异性刻蚀 c d 图5 2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 干法刻蚀种类等离子刻蚀反应离子刻蚀离子束刻蚀与反应离子束刻蚀增强反应离子刻蚀 干法刻蚀工艺的理想特征离子平行入射 以产生各向异性 反应性的离子 以提高选择性 高密度的离子 以提高刻蚀速率 低的入射能量 以减轻硅片的损伤 3 体微加工举例 凹槽加工图5 3 100 硅片各向异性腐蚀的凹槽 顶视图 俯视图 腐蚀掩膜 悬臂梁加工图5 4腐蚀凸起的拐角产生悬臂梁 桥梁加工图5 5两端固定支撑梁的加工 复杂结构加工图5 6采用CMOS工艺制作的硅复杂微结构 2 硅的面微加工硅的面微加工是通过薄膜沉积和蚀刻工艺 在晶片表面上形成较薄微结构的加工技术 表面微加工使用的薄膜沉积技术主要有物理气相沉积 PVD 和化学气相沉积 CVD 等方法 典型的表面微加工方法是牺牲层技术 5 2硅微细加工技术 图5 7用牺牲层技术制作微结构的基本过程 基础材料 牺牲层 牺牲层 结构层 微结构 1 表面微加工对所采用的材料的要求 结构层必须能够保证所要求的使用性能牺牲层必须具有足够的力学性能以保证在制作过程中不会引起分层或裂纹等结构破坏沉积工艺需要有很好的保形覆盖性质 腐蚀所选的化学试剂 应能优先腐蚀牺牲层材料表面加工工艺还应注意与集成电路工艺的兼容性 5 3光刻 光刻 photolithography 也称照相平版印刷 是加工制作半导体结构或器件和集成电路微图形结构的关键工艺技术 具体的过程包括掩膜制作和光刻过程两个部分 1 掩膜制作图5 8掩膜制作过程 5 3光刻 5 3光刻 2 光刻过程 氧化膜 基片 光致抗蚀剂 电子束 掩膜 图5 9光刻加工过程 窗口 离子束 5 4微细电火花加工 1 微细电火花加工的特点放电面积很小单个脉冲放电能量很小放电间隙很小工具电极制备困难排屑困难 不易获得稳定火花放电状态 5 4微细电火花加工 2 微细电火花加工关键技术实现微细电火花加工的关键技术有加工工艺和设备两个方面 包括 微细电极的制作高精度微进给驱动装置微小能量脉冲电源技术加工状态检测与控制系统 1 微细电极的在线制作与检测 微细电极的在线制作在线制作方法主要有反拷块加工和线电极电火花磨削 WEDG 两种方式 a b 图5 10微细电极的在线制作 a 反拷块方式 b WEDG方式 微细电极的在线检测目前对微细电极的检测一般采用试切方式进行 即通过电极所加工孔的尺寸来间接推算微细电极的直径 2 脉冲电源脉冲电源的作用是提供击穿间隙中加工介质所需的电压 并在击穿后提供能量以蚀除工件材料 脉冲电源对电火花加工的生产率 表面质量 加工精度 加工过程的稳定性和工具电极损耗等技术经济指标有很大的影响 目前 微小能量脉冲电源主要有两种形式 独立式晶体管脉冲电源和弛张式RC脉冲电源 独立式晶体管脉冲电源多采用MOSFET管做开关器件 具有开关速度高 无温漂以及无热击穿故障的优点 弛张式RC脉冲电源RC脉冲电源是利用电容器充电储存电能 而后瞬时放出的原理工作的 日前 微细电火花加工用的脉冲电源多为弛张式RC电源 图5 11可控RC微细电火花加工电源 T2 T1 C R 实现过程为 当T1导通 T2截止时 直流电源通过限流电阻R 开关管T1向电容C充电 此时放电通道没有电流 处于消电离状态 电容C充电至设定值 T1截止 切断充电回路 T2导通 电容C通过T2击穿工件和电极的间隙 产生放电 电容C放电至设定值 T2截止 T1导通 重复 形成微细电火花的循环加工 3 加工状态检测与控制系统基于模糊控制逻辑理论 神经网络乃至模糊神经网络等方法的加工状态识别技术 为微细电火花加工状态的检测提供了可行途径 选择伺服进给速度 脉宽与脉间宽度作为微细电火花加工系统的控制参数 其它对加工工性能有所影响的参数可采用离线优化 4 高精度微进给驱动装置微进给机构是实现微细电火花加工的前提和保证 近年来一些新型微进给机构的出现 很好地解决了微细电火花加上中微小步距进给的难题 蠕动式压电陶瓷微进给机构冲击式微进给机构椭圆式微进给机构线性超声马达微进给机构 蠕动式压电陶瓷微进给机构图5 12蠕动式压电微进给原理 冲击式微进给机构图5 13冲击式微进给机构动作原理 椭圆式微进给机构图5 14椭圆式微进给机构 线性超声马达微进给机构图5 15线性超声马达微进给机构 5 工作液工作液在加工中起到多种作用 压缩放电通道 使放电能量集中 加强蚀除效果 有利于电蚀产物排除 放电后极间消电离 防止破坏性电弧出现 加速间隙中物质的降温 工作液的种类 成分 特性对加工过程和工艺结果有显著影响 在常规电火花加工中 主要采用油基工作液 例如 电火花加工专用液 煤油等 5 4微细电火花加工 3 基于LIGA技术的微细电火花加工利用LIGA技术为微细电火花加工提供电极制备手段 然后再进行微细放电加工 是近年的一个主要研究方向 LIGA技术可以制作出具有高深宽比的金属微结构件 但是材料局限于镍和铜 将LIGA制造出的铜微结构件作为微细电火花加工的电极 发挥电火花加工可以加工任意导电材料的优点 就能制作出材料综合性能更好的微结构或器件 同时 如果电极损耗得到很好的控制 将可以加工出更高深宽比的微结构件 4 微细电火花线切割加工微细电火花线切割加工是指加工过程中采用钨合金或其他材料的微细电极丝 直径为10 50 进行切割 主要用于加工轮廓尺寸在0 1mm 1mm的工件 由于属于非接触式加工 加工过程中不存在切削力 因此能够保证加工过程的一致性 5 4微细电火花加工 5 5微细切削加工技术 1 微切削加工机理在微细切削时 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并变得非常大 1 切屑和表面形成图5 16剪切区位错移动从晶格位错的产生和消失情况看 切屑像是被刀具平稳地移走了一样 而错位晶格则渗入切削刃底部的工件表面内 在切削刃走过后 所有渗入工件表面内的位错晶格开始向后移动并且最终在工件表面消失 2 切削力切削力的幅值虽然不大 但其单位切削力却极大 微细切削时 随着切削深度的增加切削力却在减小 而且在很小切深时切削力将急速上升 3 切削温度由于加工尺度和刀具尺度的微小化 使得刀具上很小的温升就会导致刀杆的膨胀并引发加工精度的下降 切削温度通常被认为是决定刀具磨损率的主要因素 对于表面的形成来说 即使是刀具的微米级的损伤也是致命的 2 微细车削 1 微细车削工艺 刀具微细车削一般采用金刚石刀具 图5 17不重磨金刚石刀具形状 5 5微细切削加工技术 切削速度实际选择的切削速度 常根据所用机床的动态特性和工艺系统的动态特性选取 即选择振动最小的转速 因为在该转速时表面粗糙度值最小 加工质量最高 使用动特性好 振动小的精切设备可以使用高的切削速度 提高加工效率 进给量和修光刃为使加工表面粗糙度降低 微细车削时都采用很小的进给量 并且刀具带修光刃 修光刃可以减小加工的超光滑表面粗糙度值 但是 修光刃长度过长对减小加工表面粗糙度值的效果不大 实验表明 在微细车削时修光刃的长度一般取 0 05 0 10 mm较为适宜 刀刃锋锐度刀刃锋锐度对加工表面质量有很大影响 刀刃锋锐度可用刀具刃口半径 来表征 是微细和超微细切削加工中的一个关键技术参数 值一般采用扫描电镜在放大 20000 30000 倍时测量 0 1 时 可采用扫描探针显微镜测试 积屑瘤与工作液积屑瘤的产生对加工表面粗糙度影响极大 要减小表面粗糙度值 应消除或减小积屑瘤 使用合理的工作液可达到此目的 2 微细切削车床日本通产省工业技术院机械工程实验室MEL于1996年开发了世界上第一台微型化的机床 微型车床图5 18微型车床 下图所示的一种微细车床系统 日本金沢大学研制 由微细车床 控制单元 光学显微装置和监视器组成 图5 19一种微细车床系统 3 微细铣削 1 微细铣削刀具微细铣刀的制作技术是微细铣削的难点之一 采用离子束加工技术制作微细铣刀是一种可行的方法 图5 20离子束加工出的2刃 4刃 6刃微细端铣刀 5 5微细切削加工技术 2 微细铣床FANUC公司和有关大学合作研制的车床型超精密铣床 图5 21 在世界上首例用切削方法实现了自由曲面微细加工 图5 21车床型微细铣床 5 6薄膜气相沉积技术 薄膜制备方法很多 归纳起来有如下几种 气相方法制膜 包括物理气相沉积和化学气相沉积 液相方法制膜 包括化学镀 电镀 浸喷涂等 其他方法制膜 包括喷涂 涂敷 压延 印刷 挤出等 以下主要介绍气相方法中的物理气相沉积和化学气相沉积两种薄膜制备技术 1 物理气相沉积物理气相沉积 PhysicalVaporDeposition PVD 指的是利用某种物理过程 如物质的热蒸发或在受到粒子束轰击时物质表面原子的溅射等现象 实现物质从源物质到薄膜的原子可控的转移过程 主要工艺方法有 蒸发法 溅射法 离子镀 反应蒸发沉积 离子束辅助沉积和离化原子团束沉积等 其中最为基本的两种方法是蒸发法和溅射法 5 6薄膜气相沉积技术 1 蒸发法蒸发镀膜过程可以分三个阶段 从蒸发源 通常指蒸发镀膜中对膜材加热的装置 开始的热蒸发蒸发料原子或分子从蒸发源向基片转移蒸发料原子或分子淀积在基片上 图5 22真空蒸发法 2 溅射法溅射法是利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点 将离子引向欲被溅射的靶电极 在离子能量合适的情况下 入射的离子将在与靶表面的原子的碰撞过程中使后者溅射出来 这些被溅射出来的原子将带有一定的动能 并且会沿着一定的方向射向衬底 从而实现在衬底上薄膜的沉积 图5 23直流溅射沉积装置的示意图 表5 1溅射法与蒸发法的原理及特性比较 3 离子镀离子镀 ionplating 使用蒸发方法提供沉积用的物质源 同时在沉积前和沉积中采用高能量的离子束对薄膜进行溅射处理 由于在这 技术中同时采用了蒸发和溅射两种手段 因而在装置的设计上需要将提供溅射功能的等离子体部分与产生物质蒸发的热蒸发部分分隔开来 图5 24离子镀装置的示意图 移动挡板 压力保持板 真空室 真空泵 电子束蒸发 工作气体 阴极暗区 衬底 工作台 接地屏蔽 V 5 6薄膜气相沉积技术 2 化学气相沉积化学气相沉积 ChemicalVaporDeposition CVD 是指在一定温度条件下 在容器中通以气相状态的 用以构成薄膜材料的化学物质 使其与加热了的基体表面进行高温化学反应 使气体中某些成分分解 并在基体表面沉积金属或化合物膜层的过程 1 化学气相沉积法制备薄膜的过程反应气体向基片表面扩散 反应气体吸附于基片表面 在基片表面上发生化学反应 在基片表面上产生的气相副产物脱离表面而扩散掉或被真空泵抽走 从而在基片表面留下不挥发的固体反应产物 薄膜 2 化学气相沉积方法常压化学气相沉积 NPCVD 等离子增强型化学气相沉积 PECVD 金属有机物化学气相沉积 MOCVD 等 图5 25常压化学气相沉积装置原理示意图 钟罩 多孔玻璃 基片 O2N3SiH4PH3 流量计 衬底加热 图5 26PECVD装置的原理示意图 放电电极 气流方向 基片 加热器 基片托架 3 薄膜在机械工程中的应用机械涂层主要应用有以下四方面 耐磨涂层 目的是减少零件的机械磨损 耐热涂层 其作用一是要降低部件的表面氧化倾向 二是要降低或部分隔绝部件所要承受的热负荷 从而延长部件的高温使用寿命 防腐涂层 用于保护受化学腐蚀性气体或液体侵蚀的工件 装饰涂层 起到装饰美观的效果 5 6薄膜气相沉积技术 5 7纳米加工技术 1 纳米技术微粒达到纳米量级 0 1 100nm 时 会具有如下特性 量子尺寸效应 光 电 磁 热 声及超导电性与宏观特性显著不同小尺寸效应 光吸收显著增加表面和界面效应 表面原子处于严重的缺位状态很容易与其他原子结合宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力 称为隧道效应 5 7纳米加工技术 2 纳米加工机理与关键技术纳米级加工的物理实质就是要切断原子间的结合 实现原子或分子的去除 纳米加工的关键技术如下 检测技术 光干涉测量 扫描显微测量环境条件控制 恒温 恒湿 防振 超净机床及工具 高精度 高刚度 高