微细加工技术的应用与发展

微细加工技术是精密加工技术的一个分支，面向微细加工的电加工技术、激光微孔加工技术、水射流微细切割技术等在发展国民经济、振兴我国国防事业等方面都有着非常重要的意义，这一领域的发展对未来的国民经济、科学技术等将产生巨大影响，技术先进的国家纷纷将之列为未来关键技术之一，并扩大投资和加强基础研究与开发。所以我们有理由、有必要加快这一领域的发展和开发进程。

1.微细加工技术简介

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，特别是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。

（1）微小尺寸和一般尺寸的不同

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、激光束、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。

（2）微细加工技术应满足下列功能

①为达到很小的单位去除率（Unit Removal，UR），需要各轴能实现足够小的微量移动，对于微细的机械加工和电加工工艺，微量移动应可小至几十个纳米，电加工的UR最小极限取决于脉冲放电的能量。

②高灵敏的伺服进给系统，它要求低摩擦的传动系统和导轨主承系统以及高精度跟踪性能的伺服系统。

③高平稳性的进给运动，尽量减少由于制造和装配误差引起的各轴的运动误差。

④高的定位精度和重复定位精度。

⑤低热变形结构设计。

⑥刀具的稳固夹持和高的重复夹持精度。

⑦高的主轴转速及极低的动不平衡。

⑧稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。

⑨具有刀具破损和微型钻头折断的敏感的监控系统。

2.微细加工技术的特点

①从加工对象上看，微细加工不但加工尺度极小，而且被加工对象的整体尺寸也很微小。

②由于微机械对象的微小性和脆弱性，仅仅依靠控制和重复宏观的加工相对运动轨迹达到加工目的，已经很不现实，必须针对不同对象和加工要求，具体考虑不同的加工方法和手段。

③微细加工在加工目的、加工设备、制造环境、材料选择与处理、测量方法和仪器等方面都有其特殊要求。

④加工机理与一般加工相比，存在很大差异。

3.微细加工技术应用

（1）超微机械加工

利用超小型机床制作毫米级以下的微机械零件，如图7-43所示，为车、铣、磨、电火花加工的多功能微型加工机床，最小设定单位为1 nm，单晶金刚石刀具，刀尖圆弧半径为100 nm左右。难点：微型刀具制造、刀具姿态、加工基准定位等。

（2）光刻加工

光刻加工过程（如图7-44所示）：

①氧化，使硅晶片表面形成一层氧化层；(www.xing528.com)

②涂胶，涂光致抗蚀剂；

③曝光，通过掩模曝光；

④显影，使曝光部分溶解去除；

⑤腐蚀，使未被覆盖部分腐蚀掉；

⑥去胶，将光致抗蚀剂去除；

图7-43　微型超精密加工机床结构示意图

1—X导轨；2—B轴回转工作台；3—空气蜗轮主轴；4—刀具；5—C轴回转工作台；6—工件；7—Z导轨；8—空气/油减震器

图7-44　光刻加工工艺示例

⑦扩散，向需要杂质的部分扩散杂质，以完成整个光刻加工过程。

（3）体刻蚀加工技术

体刻蚀加工技术：将硅基片有选择性地去除部分材料的方法。对各向同性腐蚀：以相同速度对所有晶向进行刻蚀。对各向异性腐蚀：在不同晶面，以不同速率进行刻蚀，利用晶格取向，可制作如桥、梁、薄膜等不同的结构。

（4）面刻蚀加工技术

面刻蚀加工技术过程，在硅基片上淀积磷玻璃牺牲层材料；腐蚀牺牲层形成所需形状；淀积和腐蚀结构材料薄膜层；除去牺牲层就得到分离空腔微桥结构，如图7-45所示。

（5）LIGA技术

LIGA（德文Lithographie、Galvanoformung和Abformung，即光刻、电铸和注塑的缩写）技术是由制版、电铸和微注塑工艺组成，是全新的三维立体微细加工技术。在光致抗蚀剂上生成曝光图形实体；用曝光蚀刻的图形实体作电铸用胎膜，在胎膜上沉积金属形成金属微结构件；用金属微结构件作为注塑模具注塑出所需的微型零件，如图7-46所示。

图7-45　制作双固定多晶硅桥工艺

图7-46　LIGA工艺过程

（6）封接技术

封接技术的目的是将微机械件连接在一起，使其满足使用要求。方法有反应封接、淀积密封膜和键合技术。

①反应封接：将多晶硅结构与硅基片通过氧化反应封接在一起。

②淀积密封膜：用化学气相淀积法在构件和衬底之间淀积密封膜。

③硅—硅直接键合：在高温下依靠硅原子力量直接键合在一起形成一个整体。静电键合：将硅和玻璃之间加上电压，产生静电引力而使两者结合成一体。

（7）分子装配技术

扫描隧道显微镜、原子力显微镜具有0.01 nm分辨率，是精度最高的表面形貌观测仪。利用其探针尖端可以俘获和操纵分子和原子，并可按照需要拼成一定的结构，进行分子和原子的装配及制作微机械。