第八章微细加工技术和纳米技术.pptx

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精密和超精密加工技术华南理工大学陈松茂讲师第八章微细加工技术和纳米技术本章主要提要8.1微细加工技术的出现一、微细加工出现的历史背景：

精密机械零件、仪表零件的微细加工（如：

钟表、计量仪器、医疗器械、光学仪器、微型电机、微型齿轮等）电子设备微型化和集成化的需要（如：

计算机、微电子技术、航空航天、大规模集成电路等）现代科技的发展，已经形成一门新兴学科，即：

微小机械学（如：

微型电机轴径0.1mm；微型齿轮外径0.125mm）3微小机械学发展：

微机械或微电子机械系统（MEMS）是20世纪80年代后期发展起来的一门新兴学科。

它给国民经济、人民生活和国防、军事等带来了深远的影响，被列为21世纪关键技术之一。

随着微/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已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。

微机械由于具有能够在狭小空间内进行作业而又不扰乱工作环境和对象的特点，在航空航天、精密仪器、生物医疗等领域有着广阔的应用潜力，受到世界各国的高度重视。

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。

微机械的制造和生产离不开微细加工技术。

4MEMS是一项国际公认的战略高技术。

1987年，UCBerkeley研制的硅静电马达（转子直径120微米，电容间隙2微米）问世，引起轰动。

专家预言，它的意义可与当年晶体管的发明相比。

5机械的微型化及相关的制造技术传统机械纳米机械微小型机械传统制造技术微细制造技术MEMS技术纳米制造技术6微型机床7放在手提箱里的机械厂898.2微细加工的概念及其特点东京工业大学的谷口纪男教授首先提出了纳米技术术语，明确提出以纳米精度为超精密加工的奋斗目标。

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。

10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。

11微细加工与常规尺寸的加工的机理是截然不同的。

微细加工与一般尺度加工的主要区别体现在：

微细加工作为精密加工领域中的一个极重要的关键技术，目前有如下的几个特点：

8.3微细加工机理一、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。

14二、材料缺陷分布的影响材料微观缺陷分布或材质不均匀性，可以归纳为以下几种情况：

晶格原子（10-6mm）在晶格原子空间的破坏就是把原子一个个去除。

点缺陷（10-610-4mm）点缺陷就是在晶粒结构中存在着空位和填隙原子。

点缺陷空间的破坏就是以点缺陷为起点来增加晶格缺陷的破坏。

位错缺陷（10-410-2mm）位错缺陷就是晶格位移和微裂纹，它在晶体中呈连续的线状分布，故又称为线缺陷。

在晶体内部，一般情况下大约1m左右的间隔内就有一个位错缺陷。

晶界、空隙和裂纹（10-21mm）它们的破坏是以缺陷面为基础的晶粒间破坏。

缺口（1mm以上）缺口空间的破坏是由于拉应力集中而引起的破坏。

在微切削去除时，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。

各种破坏方式所需的加工能量也是不同的。

15三、不同微细加工方法的加工机理根据各种方法的加工机理的不同，微细加工可大致分为3大类：

分离加工将材料的某一部分分离出去的加工方式，如切削、分解、刻蚀、溅射等。

大致可分为切削加工、磨料加工、特种加工及复合加工等。

结合加工同种或不同种材料的附加或相互结合的加工方式，如蒸镀、沉积、生长、渗入等。

可分为附着、注入和接合三类。

附着是指在材料基体上附加一层材料；注入是指材料表层经处理后产生物理、化学、力学性能的改变，也可称之为表面改性；接合则是指焊接、粘接等。

变形加工使材料形状发生改变的加工方式，如塑性变形加工、流体变形加工等。

168.4微细加工方法一、高能束流微细特种加工技术高能束流加工是利用能量密度很高的电子束、激光束或离子束等去除工件材料的特种加工方法的总称。

特点与应用：

属于非接触加工，无成形工具，而且几乎可以加工任何材料，在精微加工、航空航天、电子、化工等领域中应用极广。

多学科交叉：

其研究内容极为丰富，涉及光学、电学、热力学、冶金学、金属物理、流体力学、材料科学、真空学、机械设计和自动控制以及计算机技术等多种学科，是一种典型的多学科交叉技术。

171、电子束微细加工技术电子束加工原理1-工件2-电子束3-偏转线圈4-电磁透镜电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高（106109W/cm2）的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，在很短的时间（几分之一微秒）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。

优点：

1）束径小、能量密度高。

能聚焦到0.1m，功率密度可达109Wcm2量级。

2）可加工材料的范围广。

对非加工部分的热影响小，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。

3）加工效率高。

每秒钟可以在2.5mm厚的钢板上钻50个直径为0.4mm的孔。

4）控制性能好。

5）电子束加工温度容易控制。

6）污染小。

缺点：

必须在真空中进行，需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵。

18根据其功率密度和能量注入时间的不同，电子束加工可用于打孔、切割、蚀刻、焊接、热处理和光刻加工等。

归纳起来，电子束在微细加工领域中的应用分为两大类：

电子束热微细加工和电子束化学微细加工。

化学微细加工热微细加工电子束微细加工分离加工焊接镀膜掺杂退火电子束打孔电子束切割图形光刻电子束扫描曝光电子束投影曝光化学反应镀膜电子束微细加工的分类熔炼电子束微细加工的应用19应用一：

电子束热微细加工第一类为电子束热微细加工，电子束的能量较大（30keV几百keV，又称为高能量密度电子束加工，它是利用电子束的热效应，将电子束的动能在材料表面转换成热能而对材料实施加工的。

20电子束打孔目前电子束打孔的最小直径已经可达0.001mm左右，而且还能进行深小孔加工，如孔径在0.5-0.9mm时，其最大孔深已超过10mm，即孔的深径比大于15：

1。

与其它微孔加工方法相比，电子束的打孔效率极高，通常每秒可加工几十至几万个孔。

利用电子束打孔速度快的特点，可以实现在薄板零件上快速加工高密度孔，这是电子束微细加工的一个非常重要的特点。

电子束打孔已在航空航天、电子、化纤以及制革等工业生产中得到实际应用。

21利用电子束在磁场中偏转的原理，使电子束在工件内部偏转，还可以利用电子束加工弯孔和曲面。

电子束切割22电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺，在焊接不同的金属和高熔点金属方面显示了很大的优越性，已成为工业生产中的重要特种工艺之一。

电子束焊接具有以下的工艺特点：

（1）焊接深宽比高。

（2）焊接速度高，易于实现高速自动化。

（3）热变形小。

（4）焊缝物理性能好。

（5）工艺适应性强。

（6）焊接材料范围广。

电子束微细焊接23第二类为电子束化学微细加工，电子束的能量较小，一般小于30keV，主要用于大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）复杂图形的制备以及光刻掩膜图形的制备。

它利用电子束流的非热效应，功率密度较小的电子束流与电子胶（又称电子抗蚀剂）相互作用，电能转化为化学能，产生辐射化学或物理效应，使电子胶的分子链被切断或重新组合而形成分子量的变化以实现电子束曝光。

包括电子束扫描曝光和电子束投影曝光。

电子束曝光微细加工技术，已经成为生产集成电路元件的关键性加工手段。

应用二：

电子束化学微细加工24目前微细加工中采用的曝光技术主要有电子束曝光技术、离子束曝光技术、X射线曝光技术、准分子激光曝光技术等。

其中：

离子束曝光技术具有最高的分辨率；紫外准分子激光曝光技术具有最佳的经济性；电子束曝光技术则代表了最成熟的亚微米级曝光技术。

电子束曝光微细加工技术25电子束曝光主要分为两类：

扫描电子束曝光，又称电子束线曝光；投影电子束曝光，又称电子束面曝光。

电子束扫描是将聚焦到小于1m的电子束斑在大约（0.55）mm的范围内按程序扫描，可曝光出任意图形。

扫描电子束曝光除了可以直接描画亚微米图形之外，还可以制作掩膜，这是其得以迅速发展的原因之一。

投影电子束曝光的方法是使电子束先通过原版，再按比例缩小投影到电致抗蚀剂上进行大规模集成电路图形的曝光。

它可以在几毫米见方的硅片上安排十万个以上晶体管或类似的元件。

投影电子束曝光技术具有高分辨率和生产效率高、成本低的优点。

26中科院电工研究所于2000年研制的DY-7电子束光刻机0.1m电子束曝光系统制作的“硅表面人工微结构”的PMMA胶图形，其最小线宽为80nm。

电子束曝光微细加工技术27离子束加工是利用离子束对材料进行成形或表面改性的加工方法，其加工原理和电子束加工基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之打到工件表面从而对工件进行加工。

离子束加工与电子束加工的本质区别在于：

在离子束微细加工时，加速的物质是带正电的离子而不是电子，其质量比电子大数千万倍，如氩离子的质量是电子的7.2万倍，因此当离子被加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动能；其次，电子束加工主要是靠热效应进行加工，而离子束加工主要是通过离子撞击工件材料时引起的破坏、分离或直接将离子注入加工表面等机械作用进行加工。

2、离子束微细加工技术28离子束加工按照其所利用的物理效应相达到目的的不同，可以分为四类，即利用离子撞击和溅射效应的离子刻蚀、离子溅射沉积和离子镀，以及利用注入效应的离子注入。

a）离子刻蚀b）溅射沉积c）离子镀d）离子注入离子束加工的分类29加工精度高，易于精确控制。

可加工的材料范围广泛。

加工表面质量高。

离子束加工设备费用贵、成本高，加工效率较低。

离子束加工的特点30目前常用的离子束微细加工技术主要有：

离子束曝光、刻蚀、镀膜、注入、退火、打孔、切割、净化等。

离子束刻蚀：

离子束溅射刻蚀、反应离子束刻蚀、等离子体刻蚀离子溅射镀膜:

离子溅射镀膜工艺适用于合金膜和化合物膜等的镀制。

离子镀:

离子镀是在真空镀膜和溅射镀膜的基础上发展起来的一种镀膜技术。

离子注入:

离子注入是将工件放在离子注入机的真空靶中，在几十至几百千伏的电压下，把所需元素的离子直接注入工件表面。

离子束加工装置与电子束加工装置类似，主要包括离子源、真空系统、控制系统和电源等部分。

主要的不同点表现在离子源系统。

离子束微细加工方法及装置31激光作为一种新型光源，它和普通光源的区别在于发光的微观机制不同。

激光的光发射则是以受激辐射为主，各个发光中心发出的光波都具有相同的频率、方向、偏振态和严格的相位关系。

由于这种基本差别，激光具有强度或亮度高、单色性好、相干性好和方向性好这些突出优点。

激光加工主要有以下特点:

1）加工精度高。

加工材料范围广泛。

加工性能好。

加工速度快、热影响区小、效率高。

3、激光束微细加工技术32激光束微细加工技术33当能量密度极高的激光束照