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1、微细加工技术 2020 6 20 2020 6 20 一 制造技术自身加工的极限 第1节微细加工技术的出现 现代制造技术的两大发展趋势 1 自动化 柔性化 集成化 智能化等方向发展 制造系统自动化 2 极小尺度 极大尺度和极端功能 微细加工 属于极小尺度的精密加工范畴 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
2、手术机器人 2020 6 20 2020 6 20 一 微细加工的概念 第2节微细加工的概念和加工方法 微细加工技术 广义上包含各种传统精密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的新方法 狭义上 半导体集成电路制造技术 整体微细加工技术 用各种微细加工方法在集成电路基片上制造出各种微型运动机械 即微型机械和微型机电系统 2020 6 20 二 微细加工方法分类 微细加工方法分类与精密加工方法相同 考虑加工对象与集成电路关系密切 一般按分离加工 结合加工 变形加工的加工机理分类 2020 6 20 分离加工 2020 6 20 结合加工 2020 6 20 变形加工 2020 6 20 1 发射阴
3、极2 控制栅极3 加速阳极4 聚焦系统5 电子束斑点6 工件7 工作台 一 微细加工的基础技术 第3节微细加工方法 1 电子束加工 电子束加工 electronbeammachining EBM 是在真空条件下 利用电子枪中产生的电子经加速 聚焦后能量密度为106 109w cm2的极细束流高速冲击到工件表面上极小的部位 并在几分之一微秒时间内 其能量大部分转换为热能 使工件被冲击部位的材料达到几千摄氏度 致使材料局部熔化或蒸发 来去除材料 利用电子束热效应加工 2020 6 20 束径小 能量密度高 束径100 0 01 m 可加工深孔被加工对象范围广 金属 非金属 半导体等材料加工速度快
4、效率高 控制性能好 易于实现自动化 电子束加工特点及其应用 2020 6 20 第4节微细加工方法 2 离子束加工 离子束加工 ionbeammachining IBM 是在真空条件下利用离子源 离子枪 产生的离子经加速聚焦形成高能的离子束流投射到工件表面 使材料变形 破坏 分离以达到加工目的 因为离子带正电荷且质量是电子的千万倍 且加速到较高速度时 具有比电子束大得多的撞击动能 因此 离子束撞击工件将引起变形 分离 破坏等机械作用 而不像电子束是通过热效应进行加工 2020 6 20 1 离子束的力效应及其溅射现象 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
5、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 直线弹性一次碰撞所传递动能 2020 6 20 2 离子束加工方法 1 离子束溅射去除 离子刻蚀 这种加工本质上属于一种原子尺度的切削加工 通常又称为离子铣削 离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽 打孔 加工极薄材料及超高精度非球面透镜 还可用于刻蚀集成电路等的高精度图形 2020 6 20 离子溅射沉积 采用能量为0 1 5keV的氩离子轰击某种材料制成的靶材 将靶材原子击出并令其沉积到工件表面上并形成一层薄膜 实际上此法为一种镀膜工艺 2020 6 20 2 离子束溅射镀膜加工 具有高灵敏度和分辨力 能对线宽小于0
6、1 m的精密精细图形曝光 2020 6 20 3 离子束曝光 2020 6 20 3 离子束加工的特点及其应用 1 加工精度和表面质量高 不产生热量 无机械应力和损伤 离子束直径可在1 m内 加工精度可达nm级 2 加工材料广泛 各种材料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 直径小 能量密度大的离子束用于加工 直径大 能量密度低的离子束适于镀膜 刻蚀 直径大 能量强的离子束适于注入加工 2020 6 20 微细加工的基础技术 第4节微细加工方法 3 激光束加工 激光加工 laserbeammachining LBM 是在光热效应下产生的高温熔融和冲击波的综合作
7、用过程 通过光学系统将激光束聚焦成尺寸与光波波长相近的极小光斑 温度可达一万摄氏度 将材料在瞬间 10 3s 熔化和蒸发 熔融物被产生的强烈冲击波喷溅出去 激光加工机理 热效应 2020 6 20 激光加工方法 1 激光打孔最小孔径几微米 深度可达直径的50倍 孔径和深度可采用经验公式估算 2020 6 20 激光加工方法 2 激光切割常采用CO2气体激光器以连续或脉冲方式切割 3 激光微调用于调整电路中某些元件参数 调电阻 无损伤照射 改变膜结构 高能量照射 使部分电阻膜气化去除 4 激光表面改性改变材料表面的物理结构 化学成分和金相组织 2020 6 20 5 激光加工特点加工精度高 非接
8、触加工 无变形 无 刀具 磨损 无 切削力 作用于工件 热变形区小 加工材料范围广 加工性能好 加工速度快 效率高 激光加工设备目前还比较昂贵 2020 6 20 二 光刻加工技术 第2节微细加工方法 光刻加工分为原版制作和光刻加工两个加工阶段 图8 30光刻加工过程 2020 6 20 三 立体复合工艺 第2节微细加工方法 1 沉积和刻蚀多层工艺 2020 6 20 第2节微细加工方法 2 光刻 电铸 模铸复合成形技术 LIGA PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯 2020 6 20 第2节微细加工方法 光刻 电铸 模铸复合成形技术 LIGA 特点 能实现高深宽比的立体结构 一种全新的三维立体微细加工技术 2020 6 20 本节结束
