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微机械与微加工技术[共31页].ppt
浏览量:154 上传更新:2024-05-26

第一节 快速成型制造技术 第二节 精密与超精密加工技术 第三节 微机械及其微加工技术 1.引言 微机械在美国常称为微机电系统 (MEMS);在日本则称为微机械;在欧洲则称为微系统。 微机械按尺寸可分为 110mm 的微机械、1m1mm 的微机械和 1nm1m 的纳米机械,适于大批量生产,制造成本低廉。 一些典型的微机械产品 2.微加工技术 微加工源于半导体制造技术,最初是指加工尺度约为微米的加工方法。 在微机械研究领域,它是微米级、亚微米级乃至纳米级微加工的总称。 微机械制造中常用的微加工又可分为微米级微加工(Micro-fabrication)、亚微米级微加工(Sub-micro-fabrication)和纳米级微加工(Nano-fabrication)。广义的微加工技术几乎涉及所有现代特种加工、高能束流等加工方法。从基本加工类型上看,微加工大致可分为材料加工或改性四大类。不同形式的微加工方法微机械微加工并不局限于微电子制造技术,更重要的是指加工微机械元件(英文多为Micromachining)或微机械、微电子、微光学等集成结构的制作技术。

目前,微机械微加工常用的方法有光刻法、高能束刻蚀法、LIGA、准LIGA等方法。通过微加工得到的铁塔微模型。从加工对象来看,微加工不仅加工规模极小,而且加工对象的整体尺寸也很小;由于微机械对象的微小性和易碎性旅顺铆工招聘,单纯靠控制和重复加工宏观相对运动轨迹来达到加工目的是不现实的。针对不同的对象和加工要求微米机加工,必须具体考虑不同的加工方法和手段;微加工在加工目的、加工设备、制造环境、材料选择与加工、测量方法与仪器等方面都有其特殊的要求。1、硅微加工技术硅是最基本的微加工材料,微加工技术一般都涉及到硅材料。 硅微加工技术所采用的典型加工技术有:去除(刻蚀、激光加工、机械钻孔等)和添加(沉积绝缘体、金属等) 基片上“去除”的悬臂梁(a)和基片上“添加”的悬臂梁(b) 体微加工技术 体微加工技术是通过刻蚀(Etching)的方式去除整块材料如单晶硅基片的部分基底或衬底材料,从而得到所需元件的体形。在体微加工技术中,关键步骤是刻蚀过程。刻蚀过程分为干法刻蚀和湿法刻蚀。 体微加工工艺 1)干法刻蚀 干法刻蚀是利用高能束流或某些气体从基片上去除材料的过程。刻蚀后的表面粗糙度较低,刻蚀效果好,但对工艺条件要求较高。加工方式可分为溅射和直写。加工技术主要有离子束刻蚀和激光刻蚀。 离子束蚀刻离子蚀刻又称溅射蚀刻或去除加工。

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离子束刻蚀又分为聚焦离子束刻蚀和反应离子束刻蚀。激光刻蚀利用激光对气相或液相物质的良好透光性。 2)湿法刻蚀 湿法刻蚀工艺是通过化学刻蚀液与被刻蚀材料发生化学反应,将被刻蚀材料剥离自动焊,包括各向同性刻蚀和各向异性刻蚀。各向同性刻蚀是在任意方向上刻蚀速度相等的工艺;而各向异性刻蚀则是与被刻蚀晶片的结构方向有关的刻蚀方法,在特定方向上刻蚀速度快,其它方向几乎不发生刻蚀。 表面微加工技术 表面微加工技术是利用集成电路中的平坦化制造技术来制造微机械器件。其标准工艺流程包括:首先在单晶硅衬底上交替沉积低应力多晶硅层和用于刻蚀的氧化硅层,形成复杂的加工层,然后对加工层进行光刻图形化,最后用氢氟酸刻蚀氧化硅并显影。 牺牲层技术是表面微加工技术的一个重要工艺,牺牲层技术又称分离层技术,UC Berkeley利用表面牺牲层工艺制备出了世界上第一台MEMS器件——微型静电马达,该微型传动结构采用五层多晶硅工艺制备而成。 2、光刻技术光刻技术(Photolithography)又称照相微蚀刻技术,起源于微电子学中集成电路的制造,是微机械制造领域较早使用的一种微加工方法,至今仍被广泛应用和不断发展。

光刻是加工制造半导体结构或器件、集成电路微图案结构的关键工艺技术。其原理类似于印刷技术中的光刻:在硅等衬底材料上涂敷光刻胶(或称感光胶),然后利用高分辨率的能量束通过掩模版对光刻胶层进行曝光(或称光刻);经显影后,在光刻胶层上得到与掩模版图案完全相同的精细几何图案。然后利用刻蚀等方法在衬底或被加工材料上制作出微结构。光学光刻的原理与印刷胶片相同,只是用涂敷的硅片代替了照相纸,用掩模版代替了负片。光学光刻存在分辨率低和焦深不足两大问题。紫外光学光刻工艺掌握电子束光刻不同于传统的光刻(面曝光)加工,后者采用光束线刻蚀进行图案加工。电子束光刻的主要缺点是产量大,加工过程较慢,不能用于制造大多数集成电路。 离子束光刻自20世纪80年代液态金属离子源出现以来,就一直采用离子束对光刻胶进行曝光。离子束曝光在集成电路工业中主要用于修复光学掩模版和集成电路芯片。它可以采用分布式重复投影结构,可利用光学光刻胶进行立体曝光,对抗蚀剂厚度或基片材料不敏感。焦深较大微米机加工,很小的NA就足以使离子光学透镜实现25mm37mm全芯片曝光,衍射效应可以忽略不计。离子束光刻的主要缺点是:离子束是带电粒子,由于空间电荷的影响,图案的清晰度和位置精度受到限制;光学曝光所能达到的极限分辨率与工作波长成正比,与透镜的数值孔径成反比。

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目前,曝光波长的进一步缩短和数值孔径的增大受到材料、光刻工艺等因素的限制,必须寻求新的技术解决办法。由于X射线的波长很短,可以满足超大规模集成电路发展的需要,近年来受到了普遍的重视。 3、外延技术 外延生长是微加工的重要手段之一,其特点是生长出的外延层能与衬底保持相同的晶向,因此可以在外延层上进行各种横向和纵向的掺杂分布以及刻蚀工艺,以获得各种形状的埋层终止层的外延形成 4、LIGA技术 光刻(Lithographie)、电铸(Galvanoformung)和注塑(molding)Abformung的缩写。 LIGA技术如图7-29所示,主要包括以下工艺步骤: 通过牺牲层和LIGA技术得到的组装电磁驱动微电机SEM照片,转子直径为150m,三个齿轮直径分别为77m、100m、150m。 通过LIGA工艺得到的三个镍微齿轮,每个齿轮高100m。 通过LIGA工艺形成的微齿轮与微电机。 LIGA工艺有以下主要特点:其制品可具有很大的结构强度,因此耐用实用; LIGA制品可用多种材料制备,如金属、陶瓷、聚合物等;可直接生产复合材料结构(包括运动部件),同时具备电路制作能力,便于制作机电一体化产品;易于批量生产(一块基片上一次可生产数千个零件)和大规模复制,因此成本低,价格便宜。

准LIGA技术 5.微机械组装与集成 叠层技术 叠层技术是指利用各种连接技术,将若干个具有平面微结构的单元部件叠合起来,构成结构复杂的三维微机械的一种微机械制造方法。 主要连接方式 封装技术 没有封装的微型器件就不能使用,目前主要的封装技术有: 场辅助热焊 三.典型的微机电系统器件 1.集成机构 集成机构IM是一个完整的微机电系统最简单的存在方式,在一块集成板上可以巧妙地把微电子技术、微机械技术的功能和结构结合起来,构成一个集成机构。 微传感器控制电路一体机 2.硅微加速度计 其基本结构是一个从硅片表面向外延伸的膜片,称为悬臂梁。作用在此梁上的加速度辽宁铆焊厂,将使梁发生相应的偏转,通过检测梁偏转的变化就可以测量加速度。 日产一体化硅加速度计 加速度计的制造主要有三个环节: 将两块玻璃盖板蚀刻、抛光成圆盘状,使其与中间芯片密封焊接; 连接引线。引线2mm 玻璃盖 扩散硅梁及重物 玻璃盖中蚀刻出的腔体 气隙电阻 引线3mm 200m 玻璃盖 导电环氧 重物 气隙 微加速度计结构 中心线截面