表面微细加工技术
微细电火花加工技术
微细电火花加工技术微细电火花加工技术是一种高精度加工方法，它通过利用电火花放电的瞬间高温和高压能量，将工件表面的金属材料溶解、熔化、蒸发和喷射等效应，实现对工件进行微细加工的一种技术。
微细电火花加工技术具有加工精度高、表面质量好、加工效率高等优点，在模具制造、航空航天、医疗器械等领域有着广泛的应用。
微细电火花加工技术的原理是利用电火花放电过程中产生的高温等效应来加工工件。
在微细电火花加工过程中，工件和电极通过一个电解液隔开，当施加足够的电压时，电极上会产生高频率的电火花放电。
电火花放电瞬间产生的高温和高压能量会使电解液中的金属离子快速聚集在工件表面，形成微小的气泡，同时气泡瞬间爆破产生的压力将工件表面的金属材料冲击下来。
通过不断重复这个过程，就可以实现对工件表面的微细加工。
微细电火花加工技术的加工精度非常高，可以达到亚微米级别。
这是因为在电火花放电过程中，由于高温和高压能量的局部聚集作用，使得工件表面的金属材料局部熔化和蒸发，从而实现微细加工。
此外，微细电火花加工技术还可以实现对工件表面的复杂形状、小孔和细槽等微细结构的加工，具有很高的灵活性。
微细电火花加工技术的应用非常广泛。
在模具制造领域，微细电火花加工技术可以用于制造高精度的模具零件，如模具芯、模具腔等。
在航空航天领域，微细电火花加工技术可以用于制造航空发动机的涡轮叶片、航天器的结构零件等。
在医疗器械领域，微细电火花加工技术可以用于制造高精度的医疗器械零件，如人工关节、牙科种植体等。
微细电火花加工技术虽然有很多优点，但也存在一些限制。
首先，由于加工过程中电火花放电会产生高温，工件表面容易产生热应力，从而导致表面质量下降。
其次，微细电火花加工技术只适用于导电材料的加工，对于非导电材料的加工效果不佳。
此外，微细电火花加工技术的加工效率相对较低，加工速度较慢。
微细电火花加工技术是一种高精度加工方法，具有广泛的应用前景。
随着科技的不断进步和发展，微细电火花加工技术将会进一步提高加工精度和效率，为各个领域的微细加工需求提供更好的解决方案。
东南大学--材料学院--表面微细加工技术简介
表面微细加工技术简介一、表面微细加工技术●表面技术的一个重要组成部分●微电子工业重要的工艺技术基础●工艺精度决定了集成电路的特征尺寸●微米量级、亚微米量级、纳米量级●微型传感器、微执行器（微马达、微开关、微泵等）、微型机器人、微型飞机、微生物化学芯片等表面微细加工技术：●光刻加工电子束加工离子束加工激光束微细加工●超声波加工微细电火花加工电解加工电铸加工1.1 光刻加工●光刻加工●复印图像+化学腐蚀●广泛应用平面器件和集成电路●光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机●光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体●光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变光刻加工步骤: 1、涂胶、前烘2、曝光3、显影、坚膜（形成窗口）4、腐蚀或刻蚀5、沉积（形成电路）6、去胶曝光：对光刻胶膜进行选择性光化学反应，曝光部分改变在显影液的溶解性光刻胶的种类:●正胶：辐照后溶解性增加分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般采用正胶●负胶：辐照后溶解性降低分辨率差，适于加工线宽≥3 m的线条曝光时影响分辨率的主要因素：1、掩膜版和光刻胶膜的接触情况2、曝光线平行度3、光的衍射、反射和散射4、光刻胶膜的质量和厚度5、曝光时间6、掩膜版的分辨率和质量曝光方式：●接触式：掩膜与胶膜贴紧曝光●分辨率高，胶膜和掩膜易磨损●低分辨率器件生产>5 μm●接近式：掩膜与胶膜有40μm间隙●避免污损，衍射造成分辨率差●投影式复印法：通过透镜系统使掩膜版图形缩小●精度依赖于光学系统，近紫外光波长（0.35-0.4 μm ）●加工极限0.4μm突破光刻极限: 采用短波长光源曝光●深紫外曝光技术（0.2~0.35μm ）●合理选择激光的激发物，KrF(248nm), ArF(193nm)●X射线曝光技术（零点几纳米）●线宽0.1 μm●位置对准困难，需防护严格●准分子激光光刻技术●线宽0.2 μm●精确控制剂量方面有待进一步提高腐蚀/刻蚀：●湿法刻蚀：利用酸碱溶液作为腐蚀剂化学反应●优点：选择性好、重复性好、设备简单、成本低●缺点：钻蚀严重、对图形的控制性较差●干法刻蚀：●等离子体腐蚀：利用强电场下气体辉光放电产生的活性基与被腐蚀胶膜发生化学反应，产生挥发性气体而去除选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差●离子腐蚀：利用具有一定动能的惰性气体的离子轰击集体表面，离子束腐蚀和溅射腐蚀（物理过程）●反应离子刻蚀(RIE：Reactive Ion Etching)：离子轰击的物理效应和活性离子的化学效应结合具有前两者优点，同时各向异性和选择性应用最广泛的主流刻蚀技术新一代光刻技术：●接触-接近式→反射投影式→步进投影式→步进扫描式●436nm ～365nm（汞弧灯）→248nm (KrF准分子激光源)●利用光刻印刷细微图形已接近极限，50nm及以下，光学光刻将被其它新技术取代：●X射线光刻技术(XRL)●极紫外光刻技术(EUVL)●电子束投影光刻技术●离子束投影光刻技术●激光辅助直接刻印法（LADI）X射线光刻技术（XRL）●解决100nm以下光刻节点最现实的技术●光源波长0.7-1.3nm●缺点：掩膜衬底的机械性能（已获得较大突破）极紫外光刻技术（EUVL）——软X射线光刻●极紫外光源波长：10-14nm●物质吸收严重，反射光学系统●Mo、Si组成多层膜对13nm有较高的反射系数●若能得到应用，有可能解决≤50nm的光刻技术激光辅助直接刻印法（LADI）●2002年6月,美国普林斯顿大学研制的一种在硅片上制造出更精细结构的新技术●带有待压印线路图的石英压印模●将模子直接压印在硅片上，施加五千万分之一秒的大功率激光脉冲，使硅熔化后，按照模子的图案凝固，●可印出10nm的线路图，四百万分之一秒●《Science》杂志评论：该工艺可维持芯片小型化进程，摩尔定律在接下来的20年里可能仍然有效1.2 电子束加工工作原理：真空条件下，利用电流加热阴极发射电子束，经控制栅极初步聚焦后，由加速阳极加速，通过透镜聚焦系统进一步聚焦，使能量密度集中在直径1～10μm斑点内。
微细加工工艺技术
微细加工工艺技术微细加工工艺技术是一种应用于微电子、光学、纳米学等领域的高精度加工技术，该技术能够实现对微细结构的精密加工。
在微细加工工艺技术中，常常采用的加工方法有激光刻蚀、化学蚀刻、光刻以及微电子束等。
激光刻蚀是一种应用激光照射，通过激光束的高能量将材料表面局部蚀刻的加工方法。
与传统的机械刻蚀相比，激光刻蚀具有高精度、高效率的优点。
在激光刻蚀中，光束的聚焦度和光斑直径是影响加工精度的重要参数。
化学蚀刻是一种利用特定的化学反应，在材料表面选择性地产生化学蚀刻产物，并将其去除的加工方法。
化学蚀刻通常需要制备特定的蚀刻溶液，通过控制溶液的浓度和温度，来影响化学反应的速率和选择性。
化学蚀刻可以实现微细结构的高精度加工，并被广泛应用于光学元件和微流控芯片等领域。
光刻是一种基于光化学反应的加工方法，通过光阻的选择性暴露和去除，来形成所需的图案结构。
在光刻过程中，首先在材料表面涂敷一层光刻胶，然后利用光刻机的紫外光照射和显影等步骤，实现图案的转移。
光刻具有高精度、高分辨率和高重复性的优点，是微细加工中不可或缺的工艺之一。
微电子束也是一种实现微细结构加工的重要方法。
微电子束利用高能电子束在材料表面定向照射，经过准直、聚焦和偏转等步骤，将电子束的能量转化为对材料的加工作用。
通过控制电子束的参数，如能量、聚焦度和扫描速度等，可以实现对微细结构的精密加工。
微电子束在高精度加工领域具有很大的应用潜力，尤其在微电子器件、光电器件以及半导体器件等方面，具有广阔的发展前景。
总的来说，微细加工工艺技术是一种实现高精度加工的重要方法，包括激光刻蚀、化学蚀刻、光刻和微电子束等。
这些加工方法在微电子、光学、纳米学等领域发挥着重要作用，推动了相关技术的进步和应用的发展。
未来随着科学技术的不断进步，微细加工工艺技术将继续发展壮大，为人类社会带来更多的科技成果和应用产品。
MEMS加工工艺及表面加工
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硅各向异性湿法腐蚀的缺点 • 图形受晶向限制 • 深宽比较差, 结构不能太小 • 倾斜侧壁 • 难以获得高精度的细线条。
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干腐蚀
气体中利用反应性气体或离子流进行的腐蚀称 为干腐蚀。干腐蚀刻蚀既可以刻蚀多种金属， 也可以刻蚀许多非金属材料；既可以各向同性 腐蚀，也可以各向异性刻蚀，是集成电路工艺 或MEMS常用工艺。
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MEMS加工工艺
MEMS加工工艺分类
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部件及子系统制造工艺
半导体工艺、集成光学工艺、厚薄膜工艺、微机械加 工工艺等
封装工艺
硅加工技术、激光加工技术、粘接、共熔接合、玻璃 封装、静电键合、压焊、倒装焊、带式自动焊、多芯 片组件工艺
3
MEMS加工技术的种类
大机械制造小机械，小机械制造微机械
日本为代表，与集成电路技术几乎无法兼容
LIGA工艺
Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸) Abformung(塑铸) 德国为代表，利用同步辐射X射线光刻技术，通过电铸成型和塑
铸形成高深宽比微结构的方法。设备昂贵，需特制的X射线掩模 版，加工周期长，与集成电路兼容性差
• 优点：与常规IC工艺兼容性好; 器件可做得很小
• 缺点：这种技术本身属于二维平面工艺，它限 制了设计的灵活性。
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关键技术
牺牲层技术 薄膜应力控制技术 防粘连技术
硅腐蚀速率与晶体取向的关系
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与{100}、{110}相比，{111}面有慢的腐 蚀速率，所以经过一段时间腐蚀后，所 腐蚀的孔腔边界就是{111}面
各向异性腐蚀剂腐蚀出微结构的特点 29
微细加工技术概述
微小机械学发展
• 微机械涉及的基本技术主要有：微机械 设计；微机械材料；微细加工；集成技术； 微装配和封接；微测量；微能源；微系统 控制等。 • 微机来自的制造和生产离不开微细加工技 术。
机械的微型化及相关的制造技术
传统机械
微小型机械 微细制造技术 MEMS技术 纳米机械 纳米制造技术
传统制造技术
所谓微细加工技术就是指能够制造微小尺寸零件 的加工技术的总称。 • 广义地讲，微细加工技术包含了各种传统精密加 工方法和与其原理截然不同的新方法，如微细切削 磨料加工、微细特种加工、半导体工艺等； • 狭义地讲，微细加工技术是在半导体集成电路制 造技术的基础上发展起来的，微细加工技术主要是 指半导体集成电路的微细制造技术，如气相沉积、 热氧化、光刻、离子束溅射、真空蒸镀等。
切削厚度与材料剪切应力关系在微切削时切削往往在晶粒内进行切削力一定要超过晶体内部的分子原子结合力其单位面积的切削阻力nmm2急剧增大刀刃上所承受的剪切应力增大刀刃上所承受的剪切应力变得非常大从而在单位面积上会产生很大的热量使刀刃尖端局部区域的温度极高因此要求采用耐热性高高温硬度高耐磨性强高温强度好的刀刃材料即超高硬度材料最常用的是金刚石等
微细加工的概念
目前微细加工领域的几大流派： •以美国为代表的硅基MEMS技术 以美国为代表的硅基MEMS技术 以美国为代表的硅基MEMS •以德国为代表的LIGA技术 以德国为代表的LIGA 以德国为代表的LIGA技术 •以日本为代表的机械加工方法的微细化 以日本为代表的机械加工方法的微细化 他们的研究与应用情况基本代表了国际微细 加工的水平和方向，应密切关注。
三、微细加工机理
微细切削加工为微量切削，又可称之为极薄切削。机 理与一般普通切削有的很大区别。 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。
微细加工技术 ppt课件
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结合加工
分类
附着加工
注入加工 结合加工
加工方法
蒸镀 分子束镀膜 分子束外延生长 离子束镀膜 电镀(电化学镀) 电铸 喷镀
离子束注入 氧化、阳极氧化 扩散 激光表面处理
电子束焊接 超声波焊接 激光焊接
可加工材料
金属 金属 金属 金属、非金属 金属 金属 金属、非金属
金属、非金属 金属 金属、半导体 金属
特种加工 （非传统加工）
复合加工
电火花成形加工 电火花切割加工 电解加工 超声波加工 微波加工 电子束加工 粒子束去除加工 激光去除加工 光刻加工
电解磨削 电解抛光 化学抛光
导电金属，非金属 导电金属 金属，非金属 硬脆金属，非金属 绝缘金属，半导体 各种材料 各种材料 各种材料 金属，非金属，半导体
(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 E 4E0m0m /(m0 m)2
ppt课件
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(2)离子束加工方法 1)离子束溅射去除
孔，沟槽，狭缝，方孔，型腔 切断，切槽 模具型腔，大空，切槽，成形 刻模，落料，切片，打孔，刻槽 在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔 打孔，切割，光刻 成形表面，刃磨，割蚀 打孔，切断，划线 划线，图形成形
各种材料 金属，半导体 金属，半导体
刃磨，成形，平面，内圆
平面，外圆，型面，细金属丝，槽
pp平t课件面
ppt力加工
可加工材料
金属
应
用
板、丝的压延、精冲、拉拔、挤压、波导管、衍射光栅
微细加工技术
微细加工概念 微细加工机理 微细加工方法 LIGA技术及准LIGA技术
微细加工技术应用 生物加工技术
6.1 微细加工技术概述
6.1.1 微细加工的概念
微细加工技术是指加工微小尺寸零件的生产加工技术。 从广义的角度来讲，微细加工包括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方法，如切削加工，磨料加 工，电火花加工等。从狭义的角度来讲，微细加工主要是指 半导体集成电路制造技术。
6.2 微细加工机理
（4）晶界、空隙、裂纹（102 ～1）mm 它们的破坏是以缺陷 面为基础的晶粒破坏。 （5）缺口（1 mm 以上） 缺口空间的破坏是由于应力集中而 引起的破坏。
在微细切削去除 时，当应力作用的区 域在某个缺陷空间范 围内，则将以与该区 域相应的破坏方式而 破坏。图 6-1 为材料 微观缺陷分布情况。
较大，允许的切削深度 ap 较大。微细加工时，从强度和刚 度都不允许大的切削深度 ap，因此切屑很小。
6.1 微细加工技术概述
3. 加工特征 一般加工时，多以尺寸、形状、位置精度为加工特征。
精密和超精密加工也是如此，所用加工方法偏重于能够形成 工件的一定形状和尺寸。微细加工和超微细加工却以分离或 结合原子、分子为加工对象，以电子束、激光束、离子束为 加工基础，采用沉积、刻蚀、溅射、蒸镀等手段进行各种处 理。这是因为它们各自所加工的对象不同而造成的。
2021/8/21
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6.1 微细加工技术概述
微小尺寸加工与一般尺寸加工的不同点： 1. 精度的表示方法
在微小尺寸加工时，由于加工尺寸很小，精度就必须用 尺寸的绝对值来表示，即用去除的一块材料的大小表示，从 而引入加工单位尺寸的概念。加工单位就是去除的一块材料 的尺寸。 2. 微观机理
微细加工技术
MEMS是Micro Electro Mechanical Systems的缩写。即 微机电系统，它是在微电子技术的基础上发展起来的，融合 了硅微加工、LIGA技术和精密机械加工等多种微加工技术， 并应用现代信息技术构成的微型系统。它包括感知和控制外 界信息(力、热、光、生、磁、化等)的传感器和执行器，以 及进行信号处理和控制的电路。 它是指可以批量制作的集微型机构、微型传感器、微型 执行器以及信号处理和控制电路、甚至外围接口、通信电路 和电源等一体的微型器件或系统，其特征尺寸范围为1nm～ 10mm 美国：MEMS—Micro Electro-Mehanical System 欧洲：Micro System 日本：Micro Machine 其它：Micro & Ｎano 技术
SLA（立体光刻）工艺
液槽中盛满液态光固化树脂， 激光束在偏转镜作用下，能在液态 表面上扫描，扫描的轨迹及光线的 有无均由计算机控制，光点打到的 地方，液体就固化。当一层扫描完 成后，未被照射的地方仍是液态树 脂。然后升降台带动平台下降一层 高度，已成型的层面上又布满一层 树脂，刮平器将粘度较大的树脂液 面刮平，然后再进行下二层的扫描， 新固化的一层牢固地粘在前一层上， 如此重复直到整个零件制造完毕, 得 到 一 个 三 维 实 体 模 型 。
1.4 微制造中的材料去除技术
LIGA由 深层 同 步 X射线 光刻、电铸成形、塑注成形 组合而成。包括三个主要工 序（图1-4）： 1）以同步加速器放射的短 波长（＜1nm）X射线作为 曝光光源，在厚度达0.5mm 的光致抗蚀剂上生成曝光图 形的三维实体； 2）用曝光蚀刻图形实体作 电铸模具，生成铸型； 3）以生成的铸型作为模具， 加工出所需微型零件。
1.2 微细加工的发展历程
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表面微细加工技术
微细加工技术结合了超精增亮和超精抛光两项革新技术，能够有选择性地保留表面的微观结构，以提高表面的摩擦和滑动性能(表面技术)，以机械化和自动化取代传统的手工抛光，提高表面的美学功能。
这种微细加工技术应用于切削刀具、冲压和锻造工具，航空、汽车、医疗器械、塑料注射模具等机械零件的表面处理，能够极大地改善零件表
面的性能。
微细加工技术采用全自动方式对金属零件表面进行超精加工，通过一种机械化学作用来清除金属零件表面上1～40μm的材料，实现被加工表面粗糙度达到或者好于ISO标准的N1级的表面质量。
微细加工技术主要应用于超精抛光和超精增亮这两个领域。
超精抛光使传统的手工抛光工艺自动化而超精增亮则生成新的表面拓扑结构。
纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的技术。
纳米科技现在已经包括纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米化学等学科。
从包括微电子等在内的微米科技到纳米科技，人类正越来越向微观世界深入，人们认识、改造微观世界的水平提高到前所未有的高度。
我国著名科学家钱学森也曾指出，纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将引起21世纪又一次产业革命。
•光刻是一种以光复印图形和材料腐蚀相结合的表面精密加工技
术。
前者是使图形复印到基片表面的光刻胶上，后者是把图形刻蚀到基片表面的各层材料(如Si02、Si3N4、多晶硅、铝等)上。
光刻胶上图形的复印是通过曝光和显影完成的。
限制图形重复性及分辨率的主要因素，是图形加工过程中所涉及到的物理和化学问题。
•在集成电路生产中，要经过多次光刻。
虽然各次光刻的目的要求和工艺条件有所不同，但其工艺过程是基本相同的。
光刻工艺一般都要经过涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀和去胶7个步骤。
•涂胶就是在SiO2或其他薄膜表面涂一层粘附良好、厚度适当、厚薄均匀的光刻胶膜。
涂胶前的基片表面必须清洁干燥。
生产中最好在氧化或蒸发后立即涂胶，此时基片表面清洁干燥，光刻胶的粘附性较好。
涂胶的厚度要适当。
•胶膜太薄-----针孔多，抗蚀能力差；
•胶膜太厚-----则分辨率低。
在一般情况下，可分辨线宽约为膜厚的5～8倍
•前烘就是在一定温度下，使胶膜里的溶剂缓慢挥发出来，使胶膜干燥，并增加其粘附性和耐磨性。
前烘的时间和温度随胶的种类及膜厚的不同而有所差别，一般由实验确定。
曝光就是对涂有光刻胶的基片进行选择性的光化学反应，使曝光部分的光刻胶在显影液中的溶解性改变，经显影后在光刻胶膜上得到和掩模相对应的图形。
•显影是把曝光后的基片放在适当的溶剂里，将应去除的光刻胶膜溶除干净，以获得刻蚀时所需要的光刻胶膜的保护图形。
显影液的选择原则是：
•对需要去除的那部分胶膜溶解得快，溶解度大
•对需要保留的那部分胶膜溶解度极小
•同时，要求显影液内所含有害的杂质少，毒性小。
•显影时间随胶膜的种类、膜厚、显影液种类、显影温度和操作方法不同而异，一般由实验确定。
•坚膜是在一定温度下对显影后的基片进行烘焙，除去显影时胶膜所吸收的显影液和残留的水分，改善胶膜与基片的粘附性，增强胶膜的抗蚀能力。
•刻蚀就是用适当的刻蚀剂，对未被胶膜覆盖的SiO2或其他薄膜进行刻蚀，以获得完整、清晰、准确的光刻图形，达到选择性扩散或金属布线的目的。
光刻工艺对刻蚀剂的要求是：
•只对需要除去的物质进行刻蚀，而对胶膜不刻蚀或刻蚀量很小。
要求刻蚀图形的边缘整齐、清晰，刻蚀液毒性小，使用方便
去胶就是在SiO2或其他薄膜上的图形刻蚀出来后，把覆盖在基片上的胶膜去除干净。
•用紫外光(200～400nm)在光刻胶上产生图形有多种方法，而最早采用的是接触曝光或接近曝光法。
这种方法很简
单，只需要用紫外光通过掩模对涂有光敏聚合物薄膜的基片进
行曝光即可。
掩模具有透明区和不透明区，图形就由这些区域
确定。
这种曝光技术(也称阴影曝光)多年来已广泛用于器件生
产中。