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1、,第1章 绪论 第2章 制造自动化技术 第3章 微细加工技术 第4章 快速原型技术 第5章 工业机器人 第6章 虚拟制造技术 第7章 纳米技术 第8章 压电驱动与控制技术 第9章 绿色制造技术,第3章 微细加工技术,中国农业大学,先进制造技术,第3章 微细加工技术,3.1 微机械及微细加工技术的概念与特点,3.2 微细加工的工艺方法,3.3 大规模集成电路的制作技术,3.4 微细加工技术的研究现状和发展趋势,3.6 微细加工技术的应用,中国农业大学,3.5 微细加工技术的关键技术,3.1 微机械及微细加工技术的概念与特点,3.1.1 微机械及其特征,3.1.2 微加工技术的概念与特点,中国农业
2、大学,3.1.1 微机械及其特征,微型机械在美国常称为微型机电系统MEMS(MicroElectro Mechanical System)，在日本称为微机械（Micromachine）,欧洲则称为微系统（Micro-System）。,中国农业大学,1、微机械的概念,微机电系统,微电子机械系统（MEMS）是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术。,3.1.1 微机械及其特征,微型机械其最明显的特征是：由于几何尺寸的微型化，表面积与体积之比将变大。,中国农业大学,2、微机械的特征,3、微机械发展的现状,微型机械在现实世界中出现只不过10年左右的时间，已成为一个新兴的、边缘性的高技术学科领域。,3
3、.1.1 微机械及其特征,中国农业大学,4、微机械的主要研究方向,5、微机械研究中的关键问题,(1)微型传感器与控制技术研究,(2)材料科学方面,(3)基础科学方面,(4)驱动技术 、,(5)研究将电能转变为大变形能的固体材料或复合材料。,(6)微型机构,(7)微型加工和装配技术,3.1.1 微机械及其特征,中国农业大学,6、微机械的优点,(1)体积虽小，但功能强,(2)小而结实,(3)批量制造,(4)微小化应用光学图像的方法，可以制作出相当小且精确的机械组件,(5)精密微机械技术的制程相当精确,(6)机械组件与电子组件可整合在同一硅芯片上,3.1.2 微细加工技术的概念与特点,中国农业大学,
4、微细加工技术是指尺度微小零件的加工技术,微细加工技术的特点：,体积小、精度高、重量轻,性能稳定、可靠性高,能耗低、灵敏性和工作效率高,多功能和智能化,适于大批量生产、制造成本低廉,3.2 微细加工工艺方法,3.2.3激光束加工,3.2.2离子束加工技术,3.2.4光刻加工技术,3.2.1 电子束加工技术,中国农业大学,3.2 微细加工工艺方法,3.2.8 牺牲层技术,3.2.5 体刻蚀加工技术,3.2.6面刻蚀加工技术,3.2.7 LIGA技术,3.2.9外延生长技术,中国农业大学,3.2.1 电子束加工技术,1.电子束加工的原理,3.2.1 电子束加工技术,中国农业大学,3.2.1 电子束加
5、工技术,中国农业大学,3.2.1 电子束加工技术,2.电子束加工装置,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,中国农业大学,3.2.1 电子束加工技术,3.电子束加工的特点及其应用,（1）束径小、能量密度高,（2）采用非接触加工,（3）被加工对象范围广,（4）电子束能量高，加工速度快、效率高,（5）易于实现自动化,（6）电子束加工需要一套专用设备和真空系统，价格较贵,中国农业大学,3.2.1 电子束加工技术,4.电子束的化学效应及其加工,用功率密度相当低的电子束照射高分子材料时，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
6、而使材料的相对分子质量和化学性质产生变化，这就是电子束的化学效应。利用这一效应可进行电子束光刻 。,中国农业大学,3.2.1 电子束加工技术,电子束的曝光：,电子束扫描曝光,中国农业大学,3.2.1 电子束加工技术,电子束的光刻,中国农业大学,3.2.1 电子束加工技术,电子束表面特性：,电子束投影曝光,高速运动的电子具有波的性质。,中国农业大学,3.2.1 电子束加工技术,5.电子束加工的应用范围,3.2.2 离子束加工技术,1.离子束加工原理：,离子束加工是在真空下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，经过加速的离子具有很大的能量，离子束打到工件表面上，发生撞击效应、溅射效应和注入效应，从而
7、实现的加工。,2.离子束加工装置：,离子束加工装置与电子束装置基本类似，是由离子源、真空系统、控制系统、电源等部分组成。,中国农业大学,3.2.2 离子束加工技术,双离子体离子源,中国农业大学,3.2.2 离子束加工技术,离子簇射(流)型离子源：又称之为考夫曼型离子源,中国农业大学,3.2.2 离子束加工技术,高频等离子体离子源,简称高频离子源，它是利用高频振荡器在放电室中产生高频电磁场，以加速自由电子与惰性气体原子进行碰撞，使之电离而产生等离子体。,中国农业大学,3.2.2 离子束加工技术,3、离子束加工的特点及其应用：,（1）加工精度和表面质量高,（2）加工材料广泛,（3）加工方法丰富,（
8、4）性能好，易于实现自动化,（5）应用范围广泛，可根据加工要求选择,中国农业大学,3.2.2 离子束加工技术,4、离子束的力效应及其溅射现象：,中国农业大学,3.2.2 离子束加工技术,5、离子束加工方法：,(1)离子束溅射去除加工,中国农业大学,3.2.2 离子束加工技术,(2)离子束溅射镀膜加工,中国农业大学,3.2.2 离子束加工技术,(3)离子束注入加工,中国农业大学,3.2.2 离子束加工技术,(4)离子束曝光加工,离子束曝光的优点是有高灵敏度和高分辨率。由于离子质量远大于电子，在基片上产生背散作用小，引起的邻近效应也小，因此能够对线宽小于0.1m的精密微细图形曝光。同时，由于离子直
9、径、质量比电子大，射人抗蚀剂后受到的阻力也大，离子在抗蚀剂层内的射程也短，离子能量能被抗蚀剂充分吸收，这就提高了抗蚀剂的灵敏度,中国农业大学,3.2.3 激光束加工技术,1、激光的产生及特性,激光是一种光，它是通过原子受激辐射发光和共振放大而形成的。,中国农业大学,3.2.3 激光束加工技术,激光特有的特性：,(1)强度高、亮度大,(2)单色性好，波长谱线宽度狭窄,(3)相干性好，相干长度长,(4)方向性好,中国农业大学,3.2.3 激光束加工技术,2激光加工的机理,3激光加工设备,激光加工设备主要由激光器、电源、光学系统和机械系统等组成,中国农业大学,3.2.3 激光束加工技术,激光器,中国
10、农业大学,3.2.3 激光束加工技术,4、激光加工的特点及其应用,(1)加工精度高,(2)加工材料范围广,(3)加工性能好,(4)加工速度快、效率高,(5)价格昂贵,中国农业大学,3.2.3 激光束加工技术,5、激光加工方法,(1)激光打孔,(2)激光切割,(3)激光焊接,(4)激光微调,(5)激光表面特性,(6)激光存储,中国农业大学,3.2.3 激光束加工技术,（5）激光表面特性,（6）激光存储,中国农业大学,3.2.3 激光束加工技术,6、准分子激光加工技术,(1)准分子激光概述,准分子激光波长极短，聚焦光斑直径能达到微米量级。功率虽相对较小，但由于光子能量高、发散角小、所以功率密度却很
11、大。,准分子激光直写为微细加工技术提供了一个新的发展方向。它将激光技术、CAD/CAM技术、材料科学及微细加工技术有机地结合起来，利用高分辨率的准分子激光束结合数控技术直接在硅片等基体上刻出微细图形，或直接加工出微型结构。,中国农业大学,3.2.3 激光束加工技术,中国农业大学,(2)准分子激光直写微细加工,1)聚焦准分子激光直接刻蚀硅材料,3.2.3 激光束加工技术,中国农业大学,2)准分子激光辅助刻蚀硅材料,3.2.4 光刻加工技术,中国农业大学,光刻加工称光刻蚀加工或刻蚀加工，简称刻蚀。,光刻加工可分为两个加工阶段，第一阶段为原版制作，生成工作原版或工作掩膜，为光刻加工时用；第二阶段为光
12、刻。,3.2.4 光刻加工技术,中国农业大学,原版制作,光刻,3.2.5 体刻蚀加工技术,中国农业大学,可以制作不同的结构，如桥、梁、薄膜等。利用体微加工制造的晶片，可用粘结技术或其他互连技术进行连接，从而形成复杂的三维结构。,3.2.6 面刻蚀加工技术,中国农业大学,利用表面微加工技术，可以制作出脱离基片表面而自由站立的悬臂结构或薄膜。,工艺过程：,(1)用光刻的方法形成所谓的牺牲层,(2)选择性地移去表面材料,(3)沉积多晶硅结构层,(4)光刻腐蚀,(5)将牺牲层材料腐蚀掉,获得所需微结构,3.2.7 LIGA技术,中国农业大学,LIGA是由德文Lithographie(制版术)，Galv
13、anoformung(电铸成形)和Abformung(注塑)这三个词生成的缩写词，是一种快速微制造技术。,3.2.7 LIGA技术,中国农业大学,LIGA技术包括以下三个工艺过程:,1）深层同步辐射x射线光刻,2）电铸成形,3）注塑,3.2.8 牺牲层技术,中国农业大学,牺牲层技术也叫分离层技术,牺牲层技术是在硅基板上，用化学气相沉积方法形成微型部件，在部件周围的空隙上添入分离层材料(如Si20)。最后，以溶解或刻蚀法去除分离层，使微型部件与基板分离，也可以制造与基板略为连接的微机械，如：微静电电机、微齿轮、曲轴和振动传感器的微桥接片等。,3.2.9 外延生长技术,中国农业大学,外延生长是微机
14、械加工的重要手段之一，它的特点是生长的外延层能保持与衬底相同的晶向，因而在外延层上可以进行各种横向与纵向的掺杂分布与腐蚀加工，以制得各种结构。,3.3 大规模集成电路的制作技术,1.大规模集成电路的细加工方法,中国农业大学,延生长技术,氧化,光刻,选择扩散,真空镀膜,3.3 大规模集成电路的制作技术,2.集成电路制作流程图,中国农业大学,大规模和超大规模的集成电路加工，常采用微细加工和超微细加工技术,3.3 大规模集成电路的制作技术,3集成电路的集成度与最小线宽,中国农业大学,集成电路一般是按集成度与最小线宽来分类的，集成度即为在规定单元芯片上所包含的电子元件数,3.4 微细加工技术的研究现状
15、和发展趋势,3.4.3微型机械加工技术的发展趋势,3.4.2微型机械加工技术的国内发展现状,3.4.1 微型机械加工技术的国外发展现状,中国农业大学,3.4.1 微型机械加工技术的国外发展现状,中国农业大学,1959年，Richard P Feynman（1965年诺贝尔物理奖获得者）就提出了微型机械的设想。,1962年第一个硅微型压力传感器问世,1965年，斯坦福大学研制出硅脑电极探针,1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为6012m的利用硅微型静电机,3.4.1 微型机械加工技术的国外发展现状,中国农业大学,1994年发布的美国国防部技术计划报告，把MEMS列为关键技术项目。,日
16、本通产省1991年开始启动一项为期10年、耗资250亿日元的微型大型研究计划，研制两台样机,欧洲工业发达国家也相继对微型系统的研究开发进行了重点投资,3.4.2 微型机械加工技术的国内现状,中国农业大学,我国在科技部、国家自然基金委，教育部和总装备部的资助下，一直在跟踪国外的微型机械研究，积极开展MEMS的研究。,广东工业大学与日本筑波大学合作，开展了生物和医用微型机器人的研究,长春光学精密机器研究所研制出直径为3mm的压电电机、电磁电机、微测试仪器和微操作系统,3.4.2 微型机械加工技术的国内现状,中国农业大学,上海冶金研究所研制出了微电机、多晶硅梁结构、微泵与阀,上海交通大学研制出2mm的电磁电机,南开大学开展了微型机器人控制技术的研究等,我国已能进行硅平面加工和体硅加工、LIGA加工、微细电火花加工及立体光刻造型法加工,3.4.3微型机械加工技术的发展趋势,中国农业大学,微型机械加工技术的发展刚刚经历了十几年，在加工技术不断发展的同时发展了一批微小器件和系统，显示了巨大生命力。,微型机械是一门交叉科学，随着微电子学、材料学
