现代加工技术-微细加工技术ppt课件.ppt

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1、第七章第七章 微细加工技术微细加工技术现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室第七章 微细加工技术ji2222n7.1 微机械与微细加工概述微机械与微细加工概述n7.2 硅微细加工技术硅微细加工技术n7.3 光刻加工技术光刻加工技术n7.4 LIGA技术和准技术和准LIGA技术技术n7.5 微细电火花加工微细电火花加工n7.6 微细切削加工技术微细切削加工技术n7.7 薄膜气相沉积技术薄膜气相沉积技术现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室7.1 微机械与微细加工概述微机械与微细加工概述 7.1.1 微机械微机械 微机械或

2、微机电系统（微机械或微机电系统（MEMS）是指具有很小外形轮）是指具有很小外形轮廓尺度的微型机械电子系统。廓尺度的微型机械电子系统。 随着微随着微/纳米科学与技术的发展，以形状尺寸微小或操纳米科学与技术的发展，以形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械成为人们在微观领域认识和作尺度极小为特征的微机械成为人们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术。改造客观世界的一种高新技术。 一般认为，微机械依其特征尺寸可以划分为：小型机一般认为，微机械依其特征尺寸可以划分为：小型机械（械（1mm-10mm），微型机械（），微型机械（1um-1mm）以及纳米机）以及纳米机械（械（1nm-1um）。从广义来讲

3、，微机械包括微小型机械）。从广义来讲，微机械包括微小型机械和纳米机械。和纳米机械。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 微机械的基本特征：微机械的基本特征： （1）体积小、重量轻、精度高。）体积小、重量轻、精度高。 （2）能耗小、响应快、灵敏度高。）能耗小、响应快、灵敏度高。 （3）性能稳定、可靠、一致性好。）性能稳定、可靠、一致性好。 （4）多功能化和智能化。）多功能化和智能化。 （5）适于大批量生产，制造成本低廉）适于大批量生产，制造成本低廉 。 微机械主要产品主要有：微机械主要产品主要有： （1）微构件：微轴、微孔、微探针、微齿轮、微连杆等；）微构

4、件：微轴、微孔、微探针、微齿轮、微连杆等； （2）微传感器：压力传感器、位移传感器、温度传感器等；）微传感器：压力传感器、位移传感器、温度传感器等； （3）微执行器：微电机、微泵、微开关、微阀等；）微执行器：微电机、微泵、微开关、微阀等； （4）专用的微机械器件及系统：如人造器官、微型手术机器）专用的微机械器件及系统：如人造器官、微型手术机器人、微光学系统、微型飞机等。人、微光学系统、微型飞机等。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室微型弹簧微型弹簧现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室在人的头发丝上微细加工的在人的头

5、发丝上微细加工的40um的方孔的方孔现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室微细加工的涡轮转子微细加工的涡轮转子现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室扑翼式微飞行器扑翼式微飞行器现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室微型机器人微型机器人现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 7.1.2 微细加工技术微细加工技术 微细加工技术是指能够制造微小尺寸零件的加工技微细加工技术是指能够制造微小尺寸零件的加工技术的总称。微细加工技术包含了各种传统精密加工方法

6、术的总称。微细加工技术包含了各种传统精密加工方法以及新方法，包括：微细切削加工、微细电火花加工、以及新方法，包括：微细切削加工、微细电火花加工、电解加工、等离子体加工、激光加工、电子束加工、光电解加工、等离子体加工、激光加工、电子束加工、光刻加工、电铸加工等。刻加工、电铸加工等。 微细加工是由多项技术构成的一个技术群体，主要微细加工是由多项技术构成的一个技术群体，主要包括：包括： （1）由）由IC工艺技术发展起来的硅微细加工技术；工艺技术发展起来的硅微细加工技术； （2）在特种加工和常规切削加工基础上发展形成的微）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；细制造技术； （3）由上述

7、两种技术集成的新方法，如）由上述两种技术集成的新方法，如LIGA、准、准LIGA技术等。技术等。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 微细加工与常规尺寸加工的区别：微细加工与常规尺寸加工的区别： （1）加工精度的表示方法不同：一般尺度加工，加工精）加工精度的表示方法不同：一般尺度加工，加工精度常用相对精度表示，微细加工用绝对精度表示；度常用相对精度表示，微细加工用绝对精度表示； （2）加工机理存在很大的差异：微细加工中加工单位急）加工机理存在很大的差异：微细加工中加工单位急剧减小，必须考虑晶粒在加工中的作用；剧减小，必须考虑晶粒在加工中的作用； （3）加

8、工特征明显不同）加工特征明显不同 ：一般加工以尺寸、形状、位置：一般加工以尺寸、形状、位置精度为特征，微细加工由于加工对象的微小型化，以分离精度为特征，微细加工由于加工对象的微小型化，以分离或结合原子、分子为特征；特别是扫描隧道显微镜和原子或结合原子、分子为特征；特别是扫描隧道显微镜和原子力显微镜的出现，为实现单个原子作为加工加工单位创造力显微镜的出现，为实现单个原子作为加工加工单位创造了条件；了条件； （4）当构件缩小到一定尺寸范围时将出现尺度效应。如）当构件缩小到一定尺寸范围时将出现尺度效应。如表现在：构件尺寸减小，材料内部缺陷减少，机械强度增表现在：构件尺寸减小，材料内部缺陷减少，机械强

9、度增加；微构件的抗拉强度、断裂强度、残余应力等与大构件加；微构件的抗拉强度、断裂强度、残余应力等与大构件不同，有些表征材料物理性能的物理量需重新定义。不同，有些表征材料物理性能的物理量需重新定义。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室7.2 硅微细加工技术硅微细加工技术 硅微细加工主要是指以硅材料为基础制作各种微机硅微细加工主要是指以硅材料为基础制作各种微机械械 零部件的加工技术。它总体上可分为零部件的加工技术。它总体上可分为体加工体加工和和面加工面加工两大类。两大类。 7.2.1 硅的体微加工硅的体微加工 硅的体微加工（硅的体微加工（bulk micro

10、machining）技术是指利）技术是指利用刻蚀（用刻蚀（Etching）等工艺对块状硅进行准三维结构的微）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。微结构。 刻蚀法分为刻蚀法分为湿法刻蚀湿法刻蚀和和干法刻蚀干法刻蚀两类两类 。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 （1）湿法刻蚀）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。湿法刻化学反应将被刻蚀物质剥离下来的刻蚀方法。湿法

11、刻蚀不仅可用于硅材料的刻蚀，也可用于金属、玻璃等蚀不仅可用于硅材料的刻蚀，也可用于金属、玻璃等很多材料，是应用非常广泛的微细结构图形制备技术很多材料，是应用非常广泛的微细结构图形制备技术。 湿法刻蚀的速率取决于基底上被腐蚀材料和溶液湿法刻蚀的速率取决于基底上被腐蚀材料和溶液中化学反应物的浓度以及溶液的温度，湿法刻蚀因基中化学反应物的浓度以及溶液的温度，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。底材料不同可以分为各向同性刻蚀和各向异性刻蚀。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 1）各向同性刻蚀）各向同性刻蚀 大多数湿法刻蚀属于不易控制的各向

12、同性刻蚀。被腐大多数湿法刻蚀属于不易控制的各向同性刻蚀。被腐蚀的基底材料是均匀且各向同性的，容易出现塌边的现蚀的基底材料是均匀且各向同性的，容易出现塌边的现象，即在纵向刻蚀的同时，也出现侧向钻蚀。象，即在纵向刻蚀的同时，也出现侧向钻蚀。 搅动刻蚀剂能够控制刻蚀速率和刻蚀结构的最终形状搅动刻蚀剂能够控制刻蚀速率和刻蚀结构的最终形状。搅拌的作用是加速反应物和产物的转移，保证转移在。搅拌的作用是加速反应物和产物的转移，保证转移在各个方向上的一致性。通过适当的搅拌，能得到具有球各个方向上的一致性。通过适当的搅拌，能得到具有球形表面的坑和腔，甚至可得到近乎完美的半球形。形表面的坑和腔，甚至可得到近乎完美

13、的半球形。SiO2掩掩膜膜 （a） （b）各向同性刻蚀各向同性刻蚀 （a）各向同性刻蚀（搅拌）；（）各向同性刻蚀（搅拌）；（b）各向同性刻蚀（不搅拌）各向同性刻蚀（不搅拌） 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 2）各向异性刻蚀）各向异性刻蚀 各向异性刻蚀是指某个方向上的刻蚀速率远大于另各向异性刻蚀是指某个方向上的刻蚀速率远大于另一方向。刻蚀速度与基底材料的结晶取向密切相关；硅一方向。刻蚀速度与基底材料的结晶取向密切相关；硅材料是一种各向异性材料，在材料是一种各向异性材料，在3个晶面上表现出不同的个晶面上表现出不同的性质。对于特定的刻蚀剂，硅的性质。对于

14、特定的刻蚀剂，硅的100晶面的腐蚀速度最晶面的腐蚀速度最快，快，110晶面次之，晶面次之，111晶面的腐蚀速度最慢。硅各向晶面的腐蚀速度最慢。硅各向异性刻蚀在几何形状控制上具有许多优点，可以制作出异性刻蚀在几何形状控制上具有许多优点，可以制作出许多具有垂直侧壁的微机械零件。许多具有垂直侧壁的微机械零件。 （c） （d）各向异性刻蚀各向异性刻蚀 （c）各向异性刻蚀（搅拌）；（）各向异性刻蚀（搅拌）；（d）各向异性刻蚀（不搅拌）各向异性刻蚀（不搅拌） 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 （2）干法刻蚀）干法刻蚀 将被加工的硅片放置在等离子体中，在带有腐蚀性

15、将被加工的硅片放置在等离子体中，在带有腐蚀性、具有一定能量的离子轰击下，反应生成气态物质，、具有一定能量的离子轰击下，反应生成气态物质，去除被刻蚀膜。干法刻蚀不需要大量的有毒化学试剂去除被刻蚀膜。干法刻蚀不需要大量的有毒化学试剂，不必清洗，分辨率高，各向异性腐蚀能力强，可得，不必清洗，分辨率高，各向异性腐蚀能力强，可得到较大的深宽比结构，易于自动操作。到较大的深宽比结构，易于自动操作。 1）干法刻蚀种类）干法刻蚀种类 等离子刻蚀：腐蚀气体在高频电场作用下，发生等离子刻蚀：腐蚀气体在高频电场作用下，发生电离形成放电，产生等离子体，利用离子与薄膜之间电离形成放电，产生等离子体，利用离子与薄膜之间的

16、化学反应生成挥发性物质，由真空抽走，得到刻蚀的化学反应生成挥发性物质，由真空抽走，得到刻蚀的目的；的目的； 反应离子刻蚀反应离子刻蚀 离子束刻蚀与反应离子束刻蚀离子束刻蚀与反应离子束刻蚀 增强反应离子刻蚀增强反应离子刻蚀 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 2）干法刻蚀工艺的理想特征）干法刻蚀工艺的理想特征 离子平行入射，以产生各向异性离子平行入射，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，以减轻硅片的损伤低的入射能量，以减轻硅片的损伤 。

17、在半导体生产中，主要被研究的刻蚀材料为二氧化硅在半导体生产中，主要被研究的刻蚀材料为二氧化硅和氮化硅。和氮化硅。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室（3）体微加工举例）体微加工举例 （100）硅片各向异性腐蚀的凹槽）硅片各向异性腐蚀的凹槽现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室腐蚀凸起的拐角产生悬臂梁腐蚀凸起的拐角产生悬臂梁现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室两端固定支撑梁的加工两端固定支撑梁的加工现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室采用采

18、用CMOS工艺制作的硅复杂微结构工艺制作的硅复杂微结构现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 7.2.2 硅的面微加工硅的面微加工j3 硅的面微加工是通过薄膜沉积和蚀刻工艺，在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（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（）和化学气相沉积（CVD）等方法。典型的表面微）等方法。典型的表面微加工方法是牺牲层技术。加工方法是牺牲层技术。 所谓所谓牺牲层技术牺牲层技术就是在微结构

19、层中嵌入一层牺牲就是在微结构层中嵌入一层牺牲材料，在后续工序中有选择地将这一层材料腐蚀掉材料，在后续工序中有选择地将这一层材料腐蚀掉而不影响结构层本身。这种工艺的目的是使结构薄而不影响结构层本身。这种工艺的目的是使结构薄膜与衬底材料分离，得到各种所需的表面微结构。膜与衬底材料分离，得到各种所需的表面微结构。常用的衬底材料为单晶硅片，结构层材料沉积的多常用的衬底材料为单晶硅片，结构层材料沉积的多晶硅、氮化硅等，牺牲层材料多为二氧化硅。晶硅、氮化硅等，牺牲层材料多为二氧化硅。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室基础材料基础材料牺牲层牺牲层牺牲层牺牲层结构层结

20、构层微结构微结构用牺牲层技术制作微结构的基本过程用牺牲层技术制作微结构的基本过程（a） （b） （c） （d） （e） 牺牲层技术表面微加工的工艺步骤牺牲层技术表面微加工的工艺步骤： （a）基础材）基础材料，一般为单晶硅片；（料，一般为单晶硅片；（b）在基板上沉积一层绝缘层）在基板上沉积一层绝缘层作为牺牲层；（作为牺牲层；（c）在牺牲层上进行光刻，刻蚀出窗口；）在牺牲层上进行光刻，刻蚀出窗口；（d）在刻蚀出的窗口和牺牲层上沉积多晶硅或其他材）在刻蚀出的窗口和牺牲层上沉积多晶硅或其他材料作为结构层；（料作为结构层；（e）从侧面将牺牲层材料腐蚀掉，释）从侧面将牺牲层材料腐蚀掉，释放结构层，得到所需

21、的微结构。放结构层，得到所需的微结构。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 表面微加工对所采用的材料的要求表面微加工对所采用的材料的要求 ：（1）结构层必须能够保证所要求的使用性能：如电学）结构层必须能够保证所要求的使用性能：如电学性能、力学性能、表面特性等；性能、力学性能、表面特性等； （2）牺牲层必须具有足够的力学性能以保证在制作过）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程中不会引起分层或裂纹等结构破坏 ；（3）选择牺牲层和结构层材料后，薄膜沉积和腐蚀将）选择牺牲层和结构层材料后，薄膜沉积和腐蚀将起重要作用。沉积工

22、艺需要有很好的保形覆盖性质起重要作用。沉积工艺需要有很好的保形覆盖性质，以保证完成微结构设计要求，腐蚀所选的化学试，以保证完成微结构设计要求，腐蚀所选的化学试剂，应能优先腐蚀牺牲层材料；剂，应能优先腐蚀牺牲层材料；（4）表面加工工艺还应注意与集成电路工艺的兼容性）表面加工工艺还应注意与集成电路工艺的兼容性，以保证微结构的控制、信号输入与输出等。，以保证微结构的控制、信号输入与输出等。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 7.3 光刻光刻 光刻（光刻（photolithography）也称照相平版印刷，）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

23、路微图形结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。其原理为：在硅等基体材料上构的关键工艺技术。其原理为：在硅等基体材料上涂覆光致抗蚀剂，然后利用分辨率很高的能量束通涂覆光致抗蚀剂，然后利用分辨率很高的能量束通过掩膜对光致抗蚀剂层进行曝光。经显影后，在抗过掩膜对光致抗蚀剂层进行曝光。经显影后，在抗蚀剂层上获得与掩膜图形相同的极微细的几何图形蚀剂层上获得与掩膜图形相同的极微细的几何图形，再利用刻蚀等方法在工件材料上制造出微型结构，再利用刻蚀等方法在工件材料上制造出微型结构。 具体的过程包括掩膜制作和光刻过程两个部分。具体的过程包括掩膜制作和光刻过程两个部分。现代设计与集成制造

24、技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 掩膜制作工艺流程：掩膜制作工艺流程： （1）绘制原图：原图一般要比最终要求的图象放大）绘制原图：原图一般要比最终要求的图象放大几倍到几百倍，根据设计图纸，在绘图机上用刻图几倍到几百倍，根据设计图纸，在绘图机上用刻图刀在红膜材料上刻成；刀在红膜材料上刻成； （2）缩版、殖版制作：将原图用缩版机所成规定的）缩版、殖版制作：将原图用缩版机所成规定的尺寸。如果要大量生产同一形状制品，可用缩图在尺寸。如果要大量生产同一形状制品，可用缩图在分步重复照相机上作成殖版；分步重复照相机上作成殖版； （3）工作原版或工作掩膜制作：缩版、殖版可直接）工作原

25、版或工作掩膜制作：缩版、殖版可直接用于光刻加工，但一般做为母版保存。从母版复印用于光刻加工，但一般做为母版保存。从母版复印形成复制版，这就是光刻加工时的原版，称工作原形成复制版，这就是光刻加工时的原版，称工作原版或工作掩膜。版或工作掩膜。 目前，一般由计算机辅助设计目前，一般由计算机辅助设计CAD制作版图，而制作版图，而后在计算机控制下经电子束曝光机直接制作主掩膜后在计算机控制下经电子束曝光机直接制作主掩膜版。为提高掩膜精度，绘图机版。为提高掩膜精度，绘图机图形发生器图形发生器电子束曝光流程成为制造工艺的主流。电子束曝光流程成为制造工艺的主流。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集

26、成制造技术教育部重点实验室1.掩膜制作掩膜制作掩膜制作过程掩膜制作过程现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 光刻加工主要工序：光刻加工主要工序： （1）预处理：基底材料通常为单晶硅或其他硅基材料）预处理：基底材料通常为单晶硅或其他硅基材料，采用打磨、抛光、脱脂、酸洗等方法对硅材料表面，采用打磨、抛光、脱脂、酸洗等方法对硅材料表面进行光整和净化处理；进行光整和净化处理； （2）涂胶：把光致抗蚀剂涂覆在氧化膜上的过程称）涂胶：把光致抗蚀剂涂覆在氧化膜上的过程称为涂胶。常用方法有旋转甩

27、胶、浸渍、喷涂和印刷等为涂胶。常用方法有旋转甩胶、浸渍、喷涂和印刷等； （3）曝光：在涂好光刻胶的硅片表面覆盖掩膜版，）曝光：在涂好光刻胶的硅片表面覆盖掩膜版，利用紫外光等透过掩膜对光刻胶进行选择性照射，在利用紫外光等透过掩膜对光刻胶进行选择性照射，在受到光照的地方，光刻胶发生光化学反应，从而改变受到光照的地方，光刻胶发生光化学反应，从而改变了感光部分胶的性质。曝光时准确的定位和严格控制了感光部分胶的性质。曝光时准确的定位和严格控制曝光强度与时间是其关键。曝光强度与时间是其关键。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 （4）显影与烘片：曝光后的光致抗蚀剂其

28、分子结构发）显影与烘片：曝光后的光致抗蚀剂其分子结构发生化学变化，在特定溶剂或水中的溶解度不同，利用生化学变化，在特定溶剂或水中的溶解度不同，利用曝光区和非曝光区这一差异，可在特定溶剂中把曝光曝光区和非曝光区这一差异，可在特定溶剂中把曝光图形呈现出来，这就是显影；有的光致抗蚀剂在显影图形呈现出来，这就是显影；有的光致抗蚀剂在显影干燥后，要进行干燥后，要进行200-250的热处理，使它发生热聚的热处理，使它发生热聚合作用，以提高强度，防止胶层脱落，叫做烘片；合作用，以提高强度，防止胶层脱落，叫做烘片； （5）刻蚀：采用刻蚀工艺将没有光致抗蚀剂部分的氧）刻蚀：采用刻蚀工艺将没有光致抗蚀剂部分的氧化

29、膜去除，得到期望的图形；化膜去除，得到期望的图形； （6）剥膜与检查：用剥膜液去除光致抗蚀剂的过程称）剥膜与检查：用剥膜液去除光致抗蚀剂的过程称为剥膜。剥膜后洗净修整，再进行外观线条尺寸、间为剥膜。剥膜后洗净修整，再进行外观线条尺寸、间隔尺寸、物理性能和电学性能等检查。隔尺寸、物理性能和电学性能等检查。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室预处理脱脂、抛光、酸洗、水洗 涂胶甩涂、浸渍、喷涂、印刷 曝光电子束、X射线、远紫外线、离子束 氧化膜氧化膜基片基片显影 烘片 刻蚀干式、湿式 剥膜、检查 光致抗蚀光致抗蚀剂剂掩膜掩膜电子束电子束离子束离子束窗口窗口现代

30、设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室7.4 LIGA技术和准技术和准LIGA技术技术 LIGA是一种三维微细制造技术，来源于德文制是一种三维微细制造技术，来源于德文制版术版术Lithographie，电铸成形，电铸成形Galvanoformung和注和注塑塑Abfoumung的缩写。该工艺于的缩写。该工艺于20世纪世纪80年代由德年代由德国发明，在制造高深宽比金属微结构和塑料微结构国发明，在制造高深宽比金属微结构和塑料微结构方面具有独特的优势。方面具有独特的优势。 7.4.1 LIGA技术技术 LIGA技术是一种利用同步辐射技术是一种利用同步辐射X射线制造三

31、维微射线制造三维微器件的技术，主要包括深层同步辐射器件的技术，主要包括深层同步辐射X射线光刻、电射线光刻、电铸成形和复制三个工艺过程。铸成形和复制三个工艺过程。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室X射线掩膜现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 1、深层同步辐射、深层同步辐射X射线光刻射线光刻 1）掩膜和基板材料：掩膜材料包括衬基材料和吸收体）掩膜和基板材料：掩膜材料

32、包括衬基材料和吸收体材料。材料。X射线光刻掩膜是由低原子序数的轻元素材料射线光刻掩膜是由低原子序数的轻元素材料形成的衬基薄膜（如形成的衬基薄膜（如SiC、金刚石薄膜、金刚石薄膜、Si3N4等）和等）和附着在该衬基薄膜上的重原子序数附着在该衬基薄膜上的重原子序数X射线吸收体（如射线吸收体（如Au、Ta、W等）图形组成；等）图形组成； 2）光刻胶和胶层制备：用于同步辐射）光刻胶和胶层制备：用于同步辐射X射线光刻的光射线光刻的光刻胶有多种，通常采用的正性光刻胶聚甲基丙烯酸甲刻胶有多种，通常采用的正性光刻胶聚甲基丙烯酸甲脂。脂。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验

33、室 3）同步辐射）同步辐射X射线曝光：同步辐射射线曝光：同步辐射X光具有波长短、分辨光具有波长短、分辨率高、穿透力强等优点外，还具有能量高、发散角小，高率高、穿透力强等优点外，还具有能量高、发散角小，高度的准直性，辐射强度大等特点。度的准直性，辐射强度大等特点。LIGA技术最适合的光源技术最适合的光源波长为波长为0.2um-0.8um； 4）化学显影处理：在受到）化学显影处理：在受到X光照射的光刻胶中，聚合物分光照射的光刻胶中，聚合物分子长链断裂，性质发生变化，对光照后的光刻胶进行显影子长链断裂，性质发生变化，对光照后的光刻胶进行显影处理，溶解掉相应部分，得到一个与掩膜图形结构相同，处理，溶解

34、掉相应部分，得到一个与掩膜图形结构相同，厚度为几百微米的三维立体光刻胶结构。显影液需满足一厚度为几百微米的三维立体光刻胶结构。显影液需满足一定条件：定条件：不侵蚀未照射区不侵蚀未照射区、不引起光刻胶膨胀。、不引起光刻胶膨胀。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 2、电铸成形、电铸成形 对显影后的样品进行微电铸，就可获得高深宽比微对显影后的样品进行微电铸，就可获得高深宽比微结构的金属零件。结构的金属零件。 LIGA技术利用光刻胶层下面的金属薄层作为阴极技术利用光刻胶层下面的金属薄层作为阴极进行电沉积，由于部分阴极表面有一层光刻胶图形，进行电沉积，由于部分阴

35、极表面有一层光刻胶图形，因此金属只能沉积到光刻胶所形成的三维立体结构的因此金属只能沉积到光刻胶所形成的三维立体结构的空隙中，直至光刻胶上面完全覆盖了金属层为止，形空隙中，直至光刻胶上面完全覆盖了金属层为止，形成一个与光刻胶相对应的金属结构。这种金属结构可成一个与光刻胶相对应的金属结构。这种金属结构可以是最终产品，也可以作为微塑铸的模具，用于大批以是最终产品，也可以作为微塑铸的模具，用于大批量生产塑料微结构产品。量生产塑料微结构产品。 电铸可用金属种类有限，微电铸材料可以是镍、铜电铸可用金属种类有限，微电铸材料可以是镍、铜、金、铁镍合金等，最常用的是镍。、金、铁镍合金等，最常用的是镍。现代设计与

36、集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 3、微复制加工、微复制加工 目前微复制方法主要有两种：注塑成型和模压成型目前微复制方法主要有两种：注塑成型和模压成型。 微注塑的典型工艺：将电铸金属结构作为二级模板微注塑的典型工艺：将电铸金属结构作为二级模板，用带有喷射孔的闸板覆盖在模板上方，将低黏度的，用带有喷射孔的闸板覆盖在模板上方，将低黏度的聚合物通过喷射孔注入到模板的空腔内，充满结构内聚合物通过喷射孔注入到模板的空腔内，充满结构内部的自由空间，待聚合物变硬后，得到塑性结构可从部的自由空间，待聚合物变硬后，得到塑性结构可从模板中提出。模板中提出。 模压成型工艺：在导电基

37、片上涂覆一层塑料，通过模压成型工艺：在导电基片上涂覆一层塑料，通过模压工艺获得在导电基片上的微塑料微结构，然后对模压工艺获得在导电基片上的微塑料微结构，然后对该微结构进行微电铸，去除导电基片后就可获得金属该微结构进行微电铸，去除导电基片后就可获得金属产品。产品。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 4、LIGA技术特点技术特点 （1）由于）由于LIGA技术所使用的同步辐射技术所使用的同步辐射X射线的穿射线的穿透力极强，因此可以制作具有很大纵横比的微结构；透力极强，因此可以制作具有很大纵横比的微结构； （2）取材比较广泛：材料可以为镍、铜、金、镍）取材比

38、较广泛：材料可以为镍、铜、金、镍钴合金、塑料等；钴合金、塑料等； （3）可以制作复杂图形结构；）可以制作复杂图形结构； （4）可以重复复制。）可以重复复制。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 7.4.2 准准LIGA技术技术 LIGA技术采用同步辐射技术采用同步辐射X射线光源，加工时间比射线光源，加工时间比较长，工艺过程复杂，价格昂贵。为克服较长，工艺过程复杂，价格昂贵。为克服LIGA技术的技术的缺陷，出现了准缺陷，出现了准LIGA技术。用深层刻蚀工艺代替同步技术。用深层刻蚀工艺代替同步辐射辐射X射线深层光刻，然后进行后续的微电铸和注塑射线深层光刻，然

39、后进行后续的微电铸和注塑过程。它不需要昂贵的同步辐射光源和特殊的过程。它不需要昂贵的同步辐射光源和特殊的LIGA掩掩膜板。利用感应耦合等离子体刻蚀设备进行高深宽比膜板。利用感应耦合等离子体刻蚀设备进行高深宽比塑料或硅刻蚀后，从硅片上直接进行微电铸，得到金塑料或硅刻蚀后，从硅片上直接进行微电铸，得到金属模具后再进行微复制工艺，就可实现微机械器件的属模具后再进行微复制工艺，就可实现微机械器件的大批量生产。利用此技术既可制造非硅材料高深宽比大批量生产。利用此技术既可制造非硅材料高深宽比的微结构，又有与微电子技术更好的兼容性。的微结构，又有与微电子技术更好的兼容性。现代设计与集成制造技术教育部重点实验

40、室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 7.5 微细电火花加工微细电火花加工 7.5.1 微细电花火加工的特点与实现条件微细电花火加工的特点与实现条件 微细电火花加工原理与普通电火花加工并无本质区微细电火花加工原理与普通电火花加工并无本质区别。但也具有一些特点：别。但也具有一些特点：（1）放电面积很小：微细电火花加工的电极一般在）放电面积很小：微细电火花加工的电极一般在5um-100um之间，放电面积不到之间，放电面积不到20um2，这么小的放电面积，这么小的放电面积极易造成放电位置和时间的集中，增大了放电过程的极易造成放电位置和时间的集中，增大了放电过程的不稳定，使微细电火花加工变得困难；

41、不稳定，使微细电火花加工变得困难；（2）单个脉冲放电能量很小：为了保证加工精度和表面）单个脉冲放电能量很小：为了保证加工精度和表面质量，单个脉冲去除量控制在质量，单个脉冲去除量控制在0.01um-0.1um范围内，范围内，要求单个脉冲能量控制在要求单个脉冲能量控制在10-6J-10-7J之间；之间；现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室（3）放电间隙很小：放电间隙的大小随加工条件的变化）放电间隙很小：放电间隙的大小随加工条件的变化而变化，数值从数微米到数百微米不等，放电间隙的而变化，数值从数微米到数百微米不等，放电间隙的控制与变化规律直接影响到加工质量、加

42、工稳定性和控制与变化规律直接影响到加工质量、加工稳定性和加工效率；加工效率；（4）工具电极制备困难：要加工尺寸很小的微小孔和微）工具电极制备困难：要加工尺寸很小的微小孔和微细型腔，必须先获得比其更小的微细工具电极，同时细型腔，必须先获得比其更小的微细工具电极，同时还要求加工系统的主轴回转精度达到极高的水准，一还要求加工系统的主轴回转精度达到极高的水准，一般控制在般控制在1um以内；以内；（5）排屑困难，不易获得稳定火花放电状态。）排屑困难，不易获得稳定火花放电状态。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 7.5.2 微细电火花加工关键技术微细电火花加工关键

43、技术 实现微细电火花加工的关键技术有加工工艺和设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。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与检测 1）微细电极的在线制作）微细电极的在线制作 微细电极制作的传统方法有两种：一种方法是通过微细电极制作的传统方法有两种：一种方法是通过冷冷 拔得到细金属丝，矫直后安装到电火花机床上；一拔得到细金属丝，矫直后安装到电火花机床上；一种是用切削、磨削等方法

44、制作；但存在精度和重复性种是用切削、磨削等方法制作；但存在精度和重复性的问题。的问题。 微细电极在线制作可以克服该缺陷，在线制作方法微细电极在线制作可以克服该缺陷，在线制作方法主要有反拷块加工和线电极电火花磨削。主要有反拷块加工和线电极电火花磨削。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 反拷块方式在线制作微细电极：以反拷块为工具反拷块方式在线制作微细电极：以反拷块为工具，以待加工微细电极为工件完成电极的在线制作。由，以待加工微细电极为工件完成电极的在线制作。由于反拷块工作面与工作台面存在垂直度误差以及反拷于反拷块工作面与工作台面存在垂直度误差以及反拷块本身

45、的平面度误差等，加工出的微细电极存在加工块本身的平面度误差等，加工出的微细电极存在加工锥度等误差，且由于反拷块电极本身的损耗现象，加锥度等误差，且由于反拷块电极本身的损耗现象，加工的电极尺寸不易控制。工的电极尺寸不易控制。 线电极电火花磨削：加工工程中，由于线电极与待线电极电火花磨削：加工工程中，由于线电极与待制作电极间为点接触，因此极易实现微能放电。线状制作电极间为点接触，因此极易实现微能放电。线状工具电极沿导向槽缓慢连续移动，金属丝的移动，使工具电极沿导向槽缓慢连续移动，金属丝的移动，使加工过程可不考虑电极损耗所带来的影响。导向器沿加工过程可不考虑电极损耗所带来的影响。导向器沿工件的径向做

46、微进给，而工件随主轴旋转的同时做轴工件的径向做微进给，而工件随主轴旋转的同时做轴向进给，通过控制工件的旋转与分度及导向器的位置向进给，通过控制工件的旋转与分度及导向器的位置，可以加工出多种不同形状的电极。，可以加工出多种不同形状的电极。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室（a） （b）微细电极的在线制作微细电极的在线制作（a）反拷块方式；（）反拷块方式；（b）WEDG方式方式1-脉冲电源；脉冲电源；2-工件；工件；3-反拷块；反拷块；4-导向器；导向器；5-工作液工作液现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 2）微细

47、电极的在线检测）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 微细电火花加工对脉冲电源的要求是单脉冲放电的微细电火花加工对脉冲电源的要求是单脉冲放电的能量小而且可控。单脉冲放电能量决定了放电凹坑的能量小而且可控。单脉冲放电能量决定了放电凹坑的直径和深度大小，从而也决定了电火花加工的表面质直径和深度大小，从而也决定了电火花加工的表面质量。量。 放电能量主要决定于峰值电流和放电脉宽。为了满放电能量主要决定于峰值电流和放

48、电脉宽。为了满足微细电火花加工要求，放电电流一般不应小于数百足微细电火花加工要求，放电电流一般不应小于数百毫安，而脉冲宽度减小到毫安，而脉冲宽度减小到1us左右。这样，就要求脉冲左右。这样，就要求脉冲电源的频率要求很高。电源的频率要求很高。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 目前，微小能量脉冲电源主要有两种形式：独立式目前，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晶体管脉冲电源和弛张式RC脉冲电源。脉冲电源。 RC脉冲电源是利用电容器充电储存电能、而后瞬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

49、用的脉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冲电源多为弛张式RC电源。电源。 弛张式弛张式RC电源放电过程中存在两个问题电源放电过程中存在两个问题：（：（1）没）没有取消电离环节，发生电弧性脉冲放电现象；（有取消电离环节，发生电弧性脉冲放电现象；（2）脉）脉冲能量不可控，脉冲能量的一致性差；出现了可控冲能量不可控，脉冲能量的一致性差；出现了可控RC微细电火花加工脉冲电源，主要由微细电火花加工脉冲电源，主要由弛张式弛张式RC脉冲电源脉冲电源、充电控制开关管、充电控制开关管V1、消电离控制开关管、消电离控制开关管V2和检测控和检测控制电路组成。制电路组成。现代设计与集成制造

50、技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 实现过程为：实现过程为： 当当V1导通、导通、V2截止时，直流电源通过限流电阻截止时，直流电源通过限流电阻R、开关管开关管V1向电容向电容C充电，此时放电通道没有电流，处充电，此时放电通道没有电流，处于消电离状态；于消电离状态； 电容电容C充电至设定值，充电至设定值，V1截止，切断充电回路，截止，切断充电回路，V2导通，电容导通，电容C通过通过V2击穿工件和电极的间隙，产生放击穿工件和电极的间隙，产生放电；电； 电容电容C放电至设定值，放电至设定值，V2截止，截止，V1导通，重复，导通，重复，形成微细电火花的循环加工。形成微细电火花的