微细加工技术2024/9/5 2024/9/5一、制造技术自身加工的极限一、制造技术自身加工的极限第第1 1节节 微细加工技术的出现微细加工技术的出现现代制造技术的两大发展趋势：现代制造技术的两大发展趋势：1)1)自自动动化化、、柔柔性性化化、、集集成成化化、、智智能能化化等等方方向向发发展展----制制造系统自动化；造系统自动化；2)2)极小尺度、极大尺度和极端功能极小尺度、极大尺度和极端功能微细加工微细加工------属于极小尺度的精密加工范畴属于极小尺度的精密加工范畴 2024/9/5二、微细加工出现的历史背景二、微细加工出现的历史背景1.1.精密机械仪器仪表零件的微细加工精密机械仪器仪表零件的微细加工2.2.电子设备微型化和集成化的需求电子设备微型化和集成化的需求微细加工是电子设备微型化和集成化的关键技术之一微细加工是电子设备微型化和集成化的关键技术之一3.3.集成电路的制作技术集成电路的制作技术集成电路是电子设备微型化和集成化中的重要元件集成电路是电子设备微型化和集成化中的重要元件微细加工技术的出现和发展与集成电路密切相关微细加工技术的出现和发展与集成电路密切相关 微机械的主要微机械的主要产品分品分类•微构件微构件 （微薄膜、微（微薄膜、微轴、微孔、微梁、微探、微孔、微梁、微探针、微、微连杆、杆、微微齿轮、微、微轴承、微承、微弹簧簧 ））•微微传感器（感器（压力力传感器、加速度感器、加速度计、位移、位移传感器、流量感器、流量计、、温度温度传感器、微触感器、微触觉传感器、微型生物感器、微型生物传感器、微型感器、微型图像像传感器、微陀螺感器、微陀螺仪 ）） •微微执行器行器 （微（微电机、微机、微阀、微、微泵、微开关、微、微开关、微扬声器、声器、微微谐振器振器 ））•专用微机械器件及系用微机械器件及系统 （人造器官、体内施（人造器官、体内施药及取及取样微微型型泵、微型手、微型手术机器人机器人 ））2024/9/5 集成了17个传感器的机器蚂蚁（MIT） IROBOT公司的PACKBOT反恐机器人 微小军用机昆虫 2024/9/5一、微细加工的概念一、微细加工的概念第第2 2节节 微细加工的概念和加工方法微细加工的概念和加工方法Ø微微细细加加工工技技术术：：广广义义上上包包含含各各种种传传统统精精密密加加工工方方法法和和与与传传统统精精密密加加工工方方法法完完全全不不同同的的新新方方法；狭义上，半导体集成电路制造技术。
法；狭义上，半导体集成电路制造技术Ø整整体体微微细细加加工工技技术术：：用用各各种种微微细细加加工工方方法法在在集集成成电电路路基基片片上上制制造造出出各各种种微微型型运运动动机机械械，，即即微型机械和微型机电系统微型机械和微型机电系统 2024/9/5二、微细加工方法分类二、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微细加工方法分类与精密加工方法相同. .考考虑虑加加工工对对象象与与集集成成电电路路关关系系密密切切, ,一一般般按按分分离离加加工工、、结结合合加加工工、、变变形形加加工工的的加加工工机机理分类理分类. . 分分 类类加工方法加工方法可加工材料可加工材料应应 用用切削加工切削加工（（传统加工）加工）等离子体切削等离子体切削微微细切削切削微微细钻削削各种材料各种材料有色金属及其合金有色金属及其合金低碳低碳钢、、铜、、铝熔断熔断钼、、钨等高熔点材料，硬等高熔点材料，硬质合金合金球，磁球，磁盘，反射，反射镜，多面棱，多面棱镜油油泵油嘴，化学油嘴，化学喷丝头，印刷，印刷电路板路板磨料加工磨料加工（（传统加工）加工）微微细磨削磨削研磨研磨抛光抛光弹性性发射加工射加工喷射加工射加工黑色金属、硬脆材料黑色金属、硬脆材料金属、半金属、半导体、玻璃体、玻璃金属、半金属、半导体、玻璃体、玻璃金属、非金属金属、非金属金属、玻璃、水晶金属、玻璃、水晶集成集成电路基片的外路基片的外圆、平面磨削、平面磨削平面、孔、外平面、孔、外圆加工，硅片基片加工，硅片基片平面、孔、外平面、孔、外圆加工，硅片基片加工，硅片基片硅片基片硅片基片刻槽，切断，刻槽，切断，图案成形，破碎案成形，破碎特种加工特种加工（非（非传统加工）加工）电火花成形加工火花成形加工电火花切割加工火花切割加工电解加工解加工超声波加工超声波加工微波加工微波加工电子束加工子束加工粒子束去除加工粒子束去除加工激光去除加工激光去除加工光刻加工光刻加工导电金属，非金属金属，非金属导电金属金属金属，非金属金属，非金属硬脆金属，非金属硬脆金属，非金属绝缘金属，半金属，半导体体各种材料各种材料各种材料各种材料各种材料各种材料金属，非金属，半金属，非金属，半导体体孔，沟槽，狭孔，沟槽，狭缝，方孔，型腔，方孔，型腔切断，切槽切断，切槽模具型腔，大空，切槽，成形模具型腔，大空，切槽，成形刻模，落料，切片，打孔，刻槽刻模，落料，切片，打孔，刻槽在玻璃、在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔宝石、陶瓷等上打孔打孔，切割，光刻打孔，切割，光刻成形表面，刃磨，割成形表面，刃磨，割蚀打孔，切断，划打孔，切断，划线划划线，，图形成形形成形复合加工复合加工电解磨削解磨削电解抛光解抛光化学抛光化学抛光各种材料各种材料金属，半金属，半导体体金属，半金属，半导体体刃磨，成形，平面，内刃磨，成形，平面，内圆平面，外平面，外圆，型面，，型面，细金属金属丝，槽，槽平面平面2024/9/5分离加工分离加工 分分 类类加工方法加工方法可加工材料可加工材料应应 用用附着加工附着加工蒸蒸镀分子束分子束镀膜膜分子束外延生分子束外延生长离子束离子束镀膜膜电镀(电化学化学镀)电铸喷镀金属金属金属金属金属金属金属、非金属金属、非金属金属金属金属金属金属、非金属金属、非金属镀膜、半膜、半导体器件体器件镀膜、半膜、半导体器件体器件半半导体器件体器件干式干式镀膜、半膜、半导体器件、刀具、工具体器件、刀具、工具电铸型、型、图案成形、印制案成形、印制线路板路板喷丝板、板、栅网、网刃、网、网刃、钟表零件表零件图案成形、表面改性案成形、表面改性注入加工注入加工离子束注入离子束注入氧化、阳极氧化氧化、阳极氧化扩散散激光表面激光表面处理理金属、非金属金属、非金属金属金属金属、半金属、半导体体金属金属半半导体体掺杂绝缘层掺杂、渗碳、表面改性、渗碳、表面改性表面改性、表面表面改性、表面热处理理结合加工合加工电子束子束焊接接超声波超声波焊接接激光激光焊接接金属金属金属金属金属、非金属金属、非金属难熔金属、化学性能活熔金属、化学性能活泼金属金属集成集成电路引路引线钟表零件、表零件、电子零件子零件2024/9/5结合加工结合加工 加工方法加工方法可加工材料可加工材料应应 用用压力加工力加工铸造造(精精铸、、压铸)金属金属金属、非金属金属、非金属板、板、丝的的压延、精冲、拉拔、延、精冲、拉拔、挤压、波、波导管、衍射光管、衍射光栅集成集成电路封装、引路封装、引线2024/9/5变形加工变形加工 2024/9/51-1-发射阴极发射阴极 2-2-控制栅极控制栅极 3-3-加速加速阳极阳极 4-4-聚焦系统聚焦系统 5-5-电子束斑点电子束斑点 6-6-工件工件 7-7-工作台工作台一、微细加工的基础技术一、微细加工的基础技术第第3 3节节 微细加工方法微细加工方法1.电子束加工电子束加工电电子子束束加加工工（（electron beam machining，，EBM））是是在在真真空空条条件件下下，，利利用用电电子子枪枪中中产产生生的的电电子子经经加加速速、、聚聚焦焦后后能能量量密密度度为为106～～109w/cm2的的极极细细束束流流高高速速冲冲击击到到工工件件表表面面上上极极小小的的部部位位，，并并在在几几分分之之一一微微秒秒时时间间内内，，其其能能量量大大部部分分转转换换为为热热能能，，使使工工件件被被冲冲击击部部位位的的材材料料达达到到几几千千摄摄氏氏度度，，致致使使材材料料局局部部熔熔化化或蒸发，来去除材料。
或蒸发，来去除材料利用电子束热效应加工利用电子束热效应加工 2024/9/5Ø束径小、能量密度高；束径小、能量密度高；束径束径µm，可加工深孔，可加工深孔Ø被加工对象范围广；被加工对象范围广；金属、非金属、半导体等材料金属、非金属、半导体等材料Ø加工速度快，效率高；加工速度快，效率高；Ø控制性能好，易于实现自动化控制性能好，易于实现自动化电子束加工特点及其应用电子束加工特点及其应用 2024/9/5第第4 4节节 微细加工方法微细加工方法2.离子束加工离子束加工离离子子束束加加工工（（ion ion beam beam machiningmachining，，IBMIBM））是是在在真真空空条条件件下下利利用用离离子子源源（（离离子子枪枪））产产生生的的离离子子经经加加速速聚聚焦焦形形成成高高能能的的离离子子束束流流投投射射到到工工件件表表面面，，使使材材料料变变形形、、破破坏坏、、分分离离以以达达到加工目的到加工目的因因为为离离子子带带正正电电荷荷且且质质量量是是电电子子的的千千万万倍倍，，且且加加速速到到较较高高速速度度时时，，具具有有比比电电子子束束大大得得多多的的撞撞击击动动能能，，因因此此，，离离子子束束撞撞击击工工件件将将引引起起变变形形、、分分离离、、破破坏坏等等机机械械作作用用，，而而不不像像电电子束是通过热效应进行加工。
子束是通过热效应进行加工 2024/9/5(1)(1)离子束的力效应及其溅射现象离子束的力效应及其溅射现象离子束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，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直线弹性一次碰撞所传递动能 2024/9/5(2)(2)离子束加工方法离子束加工方法1)1)离子束溅射去除离子束溅射去除离子刻蚀离子刻蚀 •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2024/9/5 离子溅射沉积离子溅射沉积•采用能量为～采用能量为～5keV5keV的氩离子轰击某种材料制成的靶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。
成一层薄膜•实际上此法为一种镀膜工艺实际上此法为一种镀膜工艺2024/9/52)2)离子束溅射镀膜加工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具有高灵敏度和分辨力能对线宽小于µm m的精密精的精密精细图形曝光细图形曝光2024/9/53)3)离子束曝光离子束曝光 2024/9/5(3)(3)离子束加工的特点及其应用离子束加工的特点及其应用1)1)加工精度和表面质量高加工精度和表面质量高不产生热量，无机械应力和损伤不产生热量，无机械应力和损伤离子束直径可在离子束直径可在1 1µm m内，加工精度可内，加工精度可达达nmnm级2)2)加工材料广泛加工材料广泛各种材料各种材料3)3)加工方法丰富多样加工方法丰富多样4)4)控制性能好，易于实现自动控制性能好，易于实现自动化5)5)应用范围广泛应用范围广泛直径小、能量密度大的离子束用于加工；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直径大、能量强的离子束适于注入加工 2024/9/5微细加工的基础技术微细加工的基础技术第第4 4节节 微细加工方法微细加工方法3.3.激光束加工激光束加工激激光光加加工工（（laser beam machining，，LBM））是是在在光光热热效效应应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用过程。
下产生的高温熔融和冲击波的综合作用过程 通通过过光光学学系系统统将将激激光光束束聚聚焦焦成成尺尺寸寸与与光光波波波波长长相相近近的的极极小小光光斑斑，，温温度度可可达达一一万万摄摄氏氏度度，，将将材材料料在在瞬瞬间间（（10-3s））熔熔化化和和蒸蒸发发，，熔熔融融物物被被产产生生的强烈冲击波喷溅出去的强烈冲击波喷溅出去激光加工机理激光加工机理—热效应热效应 2024/9/5激光加工方法激光加工方法1)1)激光打孔激光打孔最小孔径几微米，深度可达直径的最小孔径几微米，深度可达直径的5050倍孔径和深度可采用经验公式估算径和深度可采用经验公式估算 2024/9/5激光加工方法激光加工方法2)2)激光切割激光切割常采用常采用COCO2 2气体激光器以连续或脉冲方式切割气体激光器以连续或脉冲方式切割3)3)激光微调激光微调用于调整电路中某些元件参数用于调整电路中某些元件参数 (调电阻，无损调电阻，无损伤照射，改变膜结构；高能量照射，使部分电阻膜气伤照射，改变膜结构；高能量照射，使部分电阻膜气化去除化去除) )4)4)激光表面改性激光表面改性改变材料表面的物理结构、化学成分和金相组改变材料表面的物理结构、化学成分和金相组织。
织 2024/9/5(5)(5)激光加工特点激光加工特点Ø加工精度高；加工精度高；非非接接触触加加工工，，无无变变形形；；无无“刀刀具具”磨磨损损；；无无“切切削削力力”作作用用于工件；热变形区小于工件；热变形区小 Ø加工材料范围广；加工材料范围广；Ø加工性能好；加工性能好；Ø加工速度快，效率高；加工速度快，效率高；Ø激激光光加加工工设设备备目目前前还还比较昂贵比较昂贵 2024/9/5二、二、光刻加工技术光刻加工技术第第2 2节节 微细加工方法微细加工方法光刻加工分为原版制作和光刻加光刻加工分为原版制作和光刻加工两个加工阶段工两个加工阶段图图8-30 8-30 光刻加工过程光刻加工过程 2024/9/5三、立体复合工艺三、立体复合工艺第第2 2节节 微细加工方法微细加工方法1.1.沉积和刻蚀多层工艺沉积和刻蚀多层工艺 2024/9/5第第2 2节节 微细加工方法微细加工方法2.2.光刻光刻- -电铸电铸- -模模铸复合成形技术铸复合成形技术(LIGA)(LIGA)PMMA--PMMA--聚甲基丙聚甲基丙烯酸甲酯烯酸甲酯 2024/9/5第第2 2节节 微细加工方法微细加工方法光刻光刻- -电铸电铸- -模模铸复合成形技铸复合成形技术术(LIGA)(LIGA)特点：特点：能实现高深宽能实现高深宽比的立体结构。
比的立体结构一种全新的三一种全新的三维立体微细加维立体微细加工技术 2024/9/5 。