微细加工技术的发展及应用

微细加工技术的发展与研究摘要:微细加工技术是现代加工技术手段的新发展,是二十一世纪关键技术之一。本文介绍了微细加工技术的国内外发展情况、技术特点以及相关理论基础。并具体阐述了微细加工技术的应用以及发展的意义。关键词:微细加工；微机械；微机电；微电子DevelopmentandResearchofMicoManufacturingTechnologyAbstract:Micromanufacturingtechnologyisthenewdevelopmentofmethodformanufacturetechnologytoday,andalsoisoneofthekeytechnologyintwenty-onecentury.Thedevelopingprocessathomeandaboard,technicalfeaturesandthebaseofcorrelationtheoryoftheMicromachineandMicroManufacturingTechnologyareintroducedonthispaper.Andtheapplication,developmentsignificancealsoexpoundedinpaper.Keywords:micromanufacturing;micromachine;microelectromechanic;microelectron1.引言：随着20世纪80年代后期微机械、微机电系统(MicroElectroMechanicalSystem,MEMS)这一门新兴交叉学科的兴起,微细加工技术作为获得微机械、微机电系统的必要手段,得到了快速的发展。微细加工技术起源于平面硅工艺,但随着半导体器件、集成电路、微型机械等技术的发展与需求,微细加工技术已经成为一门多学科交叉的制造系统工程和综合高新技术,广泛应用于医疗、生物工程、信息、航空航天、半导体工业、军事、汽车等领域,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。2.微细加工和超精密加工在国外的发展情况：在超精密加工技术领域起步最早和技术领先的国家是美国，其次是日本和欧洲的一些国家。美国超精密加工技术的发展得到了政府和军方的财政支持，近年，美国执行了微米和纳米级技术国家关键技术计划，国防部陆、海、空三军组成了特别委员会，统一协调研究工作。美国至少有30多个厂家和研究单位研制和生产各种超精密加工机床，国家劳伦斯.利佛摩尔实验室、联合碳化物公司、摩尔公司、杜邦公司等在国际上均久负盛名。美国最早研制了能加工硬脆材料的6轴数控超精密研磨抛光机；联合碳化物公司开发了直径为800mm的非球面光学零件的超精密加工机床；劳伦斯.利佛摩尔实验室还开发了能加工陶瓷、硬质合金、玻璃和塑料等难加工材料的超精密切削机床，在半导体工业、航空工业和医疗器械工业中投入使用；珀金-埃尔默等公司用超精密加工技术加工各种军用红外零部件。日本对超精密技术的发展也十分重视，70年代初，日本成立了超精密加工技术委员会，制定了技术发展规划，成为此项技术发展速度最快的国家。日本现有20多家超精密加工机床研制公司，重点开发民用产品所需的加工设备并力图使设备系列化，成批生产了多品种商品化的超精密加工机床。在超精密切削技术发展比较成熟后，日本已将黑色金属、陶瓷和半导体功能材料的超精密加工技术作为重要的研究开发项目。日本的研究创新意识强，不是单纯地模仿国外的做法，而是积极地利用外国技术并结合本国特点和生存环境，走出了一条自己的发展道路。欧洲等国也将超精密加工技术的发展放在重要位置，60年代起英国开始研究超精密加工技术，克兰菲尔德大学精密工程研究所相继研制出能加工大型非球面反射镜的数控金刚石立式车床、加工大型非对称结构光学零件的数控超精密磨床、研制了脆性材料的超精密磨削工艺。现已成立了国家纳米技术战略委员会，正在执行国家纳米技术研究计划。德国和瑞士也有比较强的超精密加工能力。1992年后，欧洲实施了一系列的联合研究与发展计划，加强和推动超精密加工技术的发展。超精密车削、磨削和研磨是已经发展成熟并大量应用的加工技术。日本开发了外圆和平面等多种类型的研磨机，美国也研制成功了加工陀螺零件的球形研磨机。另外，国外还大力发展了超精密抛光技术，以获得高的表面质量。美、日、英等国投入了大量资金和人力开发了离子束抛光工艺，以加工高精度的光学器件。美国还研制了边抛光边测量的离子束抛光机，抛光非球面镜的精度达λ/50。纳米级制造技术是超精密加工技术的顶峰，其研究需要有雄厚的技术基础和丰厚的物质条件，美国、日本和英国正在进行一些研究项目，包括聚焦电子束曝光、准分子激光蚀刻和扫描隧道显微镜纳米加工技术等。聚焦电子束曝光可通过计算机控制绘制出任意形状的图形，而且不损伤材料。准分子激光束通过与被加工材料表面起直接反应进行蚀刻，没有对加工部位的照射损伤和放电破坏，可达到纳米级的蚀刻精度。扫描隧道显微镜技术是利用扫描隧道显微镜探针的尖端俘获单个原子或单个分子，并向被加工表面传输，或者从被加工表面剥离单个或成团的原子和分子，从而形成所需的纳米级结构。美国和日本都已掌握了此项技术，在金属晶体或非金属晶体表面制造出了单个原子宽的线条和图形。该技术的显著优点是可适应多种加工环境，在高真空中、空气中、金属有机物气体中或溶液中都能在硅、砷化镓等电子材料、石英、陶瓷、金属和非金属材料上加工出纳米级的线条和图形，为航空微电子元器件和微机电系统的发展提供了技术支持。最早开发的复合超精密加工技术是超精密振动金刚石刀具切削工艺，美国宇航动力集团采用该工艺加工了激光陀螺玻璃腔体，日本加工了平面和圆度达0.1μm的柱形零件。近年来，复合超精密加工技术更有了长足发展，日本理化研究所开发的在线电解修整复合磨削技术，能高效磨削球面、非球面和平面透镜等高硬度和高脆性电子和光学材料的功能零件，以及塑性金属零件，尺寸和形状精度达亚微米，表面粗糙度达纳米级。如：采用该技术加工镀膜SiC材料的球面、非球面和平面透镜等光学零件，直径100mm、曲率半径2000mm的球面透镜磨削后的形状精度为0.2μm，表面粗糙度值为Ra0.0076μm；200mm×200mm的平面透镜磨削后，在Φ150mm范围内测量的平面度为0.6μm，表面粗糙度值为Ra0.006μm。等离子化学气化加工和流体抛光技术也是目前国外开发的比较实用的加工技术，主要针对电子和光电等功能材料零件的超精密加工，可加工出任意形状的零件。目前，采用等离子化学气化加工技术已制成了纳米级精度和表面无缺陷的非球面透镜，加工效率接近于机械加工的水平。采用流体抛光技术可获得深度均匀的矩形窄缝、有抛物线形相交截面的半圆柱体。超精密加工技术在发达国家已有近40年的发展历史，其生命力不仅在于包括航空技术在内的高科技发展对它的需求，而且在于它综合利用了高科技进步的成果，更重要的是在利用这些成果的基础上有所创新，将其以新颖的构思巧妙地加以重组不断获得新的设备和工艺技术，模块式超精密加工机床的诞生和复合超精密加工技术的出现就是很好的例证。3.微细加工技术研究3.1微细加工技术的概念和特点：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，如切削技术，磨料加工技术，电火花加工，电解加工，化学加工，超声波加工，微波加工，等离子体加工，外延生产，激光加工，电子束加工，粒子束加工，光刻加工，电铸加工等。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，因为微细加工和超微细加工是在半导体集成电路制造技术的基础上发展的，特门市大规模集成电路和计算机技术的技术基础，是信息时代微电子时代，光电子时代的关键技术之一。3.2微细加工的理论基础：微小尺寸和一般尺寸加工是不同的，其不同点主要表现在以下几个方面：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，即用取出的一块材料的大小来表示，从而引入加工单位尺寸的概念。2）微观机理以切削加工为例，从工件的角度来讲，一般加工和微细加工的最大区别是切屑的大小。一般为金属材料是由微细的晶粒组成，晶粒直径为数微米到数百微米。一般加工时,吃刀量较大，可以忽略晶粒的大小，而作为一个连续体来看待，因此可见一般加工和微细加工的机理是不同的。3）加工特征微细加工和超微细加工以分离或结合原子、分子为加工对象，以电子束、技工束、粒子束为加工基础，采用沉积、刻蚀、溅射、蒸镀等手段进行各种处理。3.3微细加工技术分类：依据加工机理微细加工技术主要分成四类[2]:1)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、蒸发、溅射、破碎等;2)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,如蒸馏、沉淀、生长、渗入、黏结等;3)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;4)材料处理或改性。4.微细加工技术的应用微型机械技术综合应用了当今世界科学技术的尖端成果,目前微细加工技术已经在特种新型器件、电子零件和电子装置、机械零件和装置、生物工程、表面分析、材料改性等诸多领域发挥着越来越重要的作用。4.1微细加工技术在微电子器件制造中的应用:微细加工技术最典型的应用是大规模和超大规模集成电路的加工制造,在其制造过程中,从制备晶片和掩膜开始,经历多次氧化、光刻(曝光)、刻蚀、外延、注入(或扩散)等复杂工序,到划片、引线焊接、封装、检测等一系列工作直到最后得到成品,每道工序都要采用微细加工技术,微细加工技术在这里得到了全面的应用。在集成电路制造中,微细加工技术主要有横向微细加工技术和纵向微细加工技术两种方式。横向微细加工技术主要包括图形设计、图形产生和刻蚀,其中集成电路的图形线条的产生随着线条宽度的变细和加工工艺的微细化发展,先后经历了光学曝光、电子束、离子束和X射线曝光、等离子体刻蚀、反应离子刻蚀、离子铣等多种图形微细加工方法。在做各种金属薄膜、介质薄膜、多晶体、各种掺杂或不掺杂半导体、多元化合物半导体薄层时,主要运用了纵向微细加工技术,包括蒸发、溅射、高压氧化、减压化学气相淀积(减压CVD)、热扩散、离子注入和退火、气相或液相外延、分子束外延等[3]。4.2微细加工技术在微机械和微机电系统方面的应用:从1962年第一个硅微型压力传感器问世到现在,采用微细加工技术研制加工的各种微型机械机电产品大量出现在各个科技领域。利用微细加工技术,可以将机载产品的硬件比例大幅缩小,以满足其体积小、重量轻的空间特殊要求。目前已有大量的微型机械或微型系统被研究出来,如用于航空航天、汽车工业、医疗器械、军事武器、机器人等领域的各种微型压力传感器、加速度传感器、温度传感器、智能传感器;用于军事领域的微型机器人、飞行器;用于医疗卫生领域的微型泵、微型阀等手术器械;用于航空航天工业和武器工业的微型开关,用于计算机、核工业的各种微型喷嘴;用于仪器仪表、计算机和机械工业的微型零器件、微型电动机、微型发动机等微执行机构等等,这些都是采用现代微细加工技术的产物。随着微细加工技术研究的不断深入,将来会有更多类的微机械机电产品被研制出来并投入使用[4]。5发展微细加工技术的意义5.1微细加工技术的发展促进了微电子集成器件的发展:电子计算机已经渗透到人类生产、生活的几乎所有领域,而基于集成电路的微电子技术为中心构成的信息技术、控制技术、系统工程技术已经成为未来新技术革命的主要内容。只有集成电路的迅速发展才能给计算机带来光辉的前景,而集成电路的发展必须建立在微细加工技术的进一步发展之上,未来极大规模集成电路(GSI)、分子电路、量子电路、生物芯片等的研制需要更为先进的微细加工技术[3]。5.2微细加工技术促进新型器件和有关学科的发展:在集成电路研究和生产中发展起来的以微细加工技术为核心的一整套基础工艺技术,在科技领域中不仅是微电子、微机电系统MEMS发展的基础,也是半导体微波技术、磁泡技术、声表面波技术、低温超导技术、光集成技术以及其他许多