微機械與微細加工技術作者簡介

苑偉政，男，1961年生，博士，教授，博士研究生導師?，F任西北工業(yè)大學現代制造工程研究所所長兼微機械與微細加工技術研究室主任，機械制造學科跨世紀學科帶頭人。

主要從事微機械與微細加工技術、CAM與CIMS、難加工材料切削加工與精密加工技術等方面的研究工作。近年來主持承擔了包括國家自然科學基金在內的24項研究課題，獲省部級科技進步獎5項，發(fā)表研究論文40余篇，其中10余篇被工程索引（EI）收入。

馬炳和，男，1972年生，河北省辛集市人，博士，西北工業(yè)大學講師。主要研究方向為微電子機械系統(tǒng)（MEMS）、微細加工技術、精密測試技術等。

《微機械與微細加工技術》是由西北工業(yè)大學出版社出版的

緒論

第一章 微機械理論基礎

1.1 微機械學

1.2 微動力學

1.3 微電子學

1.4 微光學

1.5 微流體力學

1.6 微熱力學

1.7 微摩擦學

1.8 納米生物學

1.9 分子裝配技術

第二章 微機械材料與微結構

2.1 引言

2.2 微機械材料

2.2.1 硅材料

2.2.2 形狀記憶材料

2.2.3 壓電陶瓷/電致伸縮材料

2.2.4 超磁致伸縮材料

2.2.5 電流變體

2.2.6 磁流變體

2.2.7 有機聚合物材料

2.3 微結構與微型智能結構

2.3.1 主動控制結構類

2.3.2 被動阻尼結構類

第三章 微細加工技術

3.1 引言

3.2 硅微細加工技術

3.2.1 薄膜制備技術

3.2.2 微機械器件薄膜制備技術

3.3 光刻技術

3.3.1 光刻掩模制作工藝

3.3.2 曝光技術

3.3.3 刻蝕技術

3.3.4 表面薄膜的化學刻蝕加工

3.4 犧牲層技術

3.5 外延技術

3.6 高能束刻蝕技術

3.6.1 離子束刻蝕

3.6.2 等離子體刻蝕

3.6.3 激光刻蝕

3.7 LIGA技術

3.8 微細立體光刻技術

3.9 精密放電加工技術與超精密機械加工技術

3.10 微機械裝配與集成

3.10.1 堆裝技術

3.10.2 封裝技術

3.10.3 集成制造技術

第四章 準分子激光微細加工技術

4.1 引言

4.2 準分子激光器及其工作原理

4.2.1 準分子與準分子激光器

4.2.2 準分子激光器的泵浦方式

4.3 直寫微細加工的準分子激光光束特性

4.3.1 直寫微細加工

4.3.2 光束特性

4.4 準分子激光直寫微細加工

4.4.1 聚焦準分子激光直接刻蝕硅材料

4.4.2 準分子激光輔助刻蝕硅材料

4.4.3 準分子激光直寫微細加工

4.5 準分子激光直寫微細加工系統(tǒng)

4.5.1 系統(tǒng)構成與工作原理

4.5.2 加工控制與監(jiān)測

4.5.3 加工光斑

4.5.4 掃描運動

4.5.5 聲光調制器

4.5.6 直寫微細加工及其CAD/CAM

4.5.7 系統(tǒng)的加工精度分析

4.6 準分子激光直寫刻蝕基本規(guī)律

4.6.1 微加工材料表面的顯微形貌

4.6.2 準分子激光對于硅材料的直接刻蝕規(guī)律

4.6.3 單脈沖刻蝕情況.

4.6.4 熱量與熱影響區(qū)

4.6.5 刻蝕深度的變化規(guī)律

4.6.6 由沖擊破壞現象引起的受力情況分析

4.7 光束質量的改善措施

第五章 微檢測技術

5.1 引言

5.2 現代微觀檢測方法與設備

5.2.1 掃描探針顯微鏡

5.2.2 干涉與測量

5.3 微機械結構的幾何尺寸測量

5.3.1 測量方法的分析與選擇

5.3.2 基于光切法的微結構尺寸測量

5.3.3 基于光切法的圖像測量系統(tǒng)設計

5.3.4 微結構件幾何尺寸測量示例

5.4 物理量測量

5.4.1 彈性模量測量

5.4.2 殘余應力測量

5.4.3 測量與結果

第六章 微傳感器

6.1 引言

6.2 電量檢測傳感器

6.2.1 壓電式傳感器

6.2.2 電容式傳感器

6.2.3 壓阻式傳感器

6.3 機械量微傳感器

6.3.1 結構彈性變形微傳感器

6.3.2 機械振動結構徽傳感器

6.3.3 振動體激勵微傳感器

6.3.4 諧振集成微傳感器

……

第七章 微致動器及其它微器件

第八章 典型微型電子機械系統(tǒng)與微機器人

隨著微技術（Microtechnology）的不斷發(fā)展，以形狀尺寸微小、操作尺度極小為特征的微機械已成為人們從微觀角度認識和改造客觀世界的一種高新技術。微機械在國防、醫(yī)療、儀器檢測、材料等領域，尤其是活動空間狹小、操作精度要求高、功能需要高度集成的航空航天等領域，具有廣泛的應用前景。微機械不僅涉及微電子學、微機械學、微光學、微動力學、微流體力學、微熱力學、材料學、物理學、化學和生物學等廣泛的學科領域，而且涉及從材料、設計、制造、控制、能源直到檢測、集成、封裝等一系列的技術環(huán)節(jié)。微機械技術的發(fā)展以上述學科和技術為基礎，反過來也將帶動相關學科和技術的發(fā)展。此外，微機械技術還有望成為研究納米技術的重要手段。因此，微機械被列為本世紀末10大關鍵技術之首，并受到各工業(yè)發(fā)達國家的高度重視。如：歐洲的尤里卡計劃明確提出將微機械作為一個重要的研究內容，并在法、德兩國組織實施；美國國會也把微機械的研究作為21世紀重點發(fā)展的學科之一；日本通產省已于1991年啟動一項為期10年的微機械研究計劃。在我國，微機械與微細加工技術的研究也得到了許多部門的重視，國防科工委已提出將微型慣性測量組合MIMU（Micro Inertia Mea-surement Unit）等作為微機械的發(fā)展重點；國家科委、國家自然科學基金委員會也都將微機械與微細加工技術列為重點發(fā)展方向之一。

微機械作為一門學科出現，總共不過幾年時間，國內外有關研究也還不成熟。

第1章 微型機械與微細加工概論/1

1.1 微機械及其特點/1

1.2 微細加工技術的概念及其特點/4

1.3 微細加工技術的分類/6

1.4 微細加工技術的應用/9

1.5 發(fā)展微細加工技術的意義/15

參考文獻/17

第2章 微機械與微細加工理論基礎/18

2.1 微機械學/18

2.2 微電子學/33

2.3 微光學/37

2.4 分子裝配技術/39

2.5 微細加工機理/41

參考文獻/4l

第3章 微細切削加工技術/44

3.1 微切削加工機理與物理特性/44

3.2 微細車削加工技術/50

3.3 微細銑削加工技術/58

3.4 微細鉆削加工技術/65

3.5 微細沖壓加工/69

3.6 微細磨料噴射加工/7l

3.7 微細切削加工工作環(huán)境/74

參考文獻/75

第4章 微細電加工技術/77

4.1 微細電加工技術概述/77

4.2 微細電火花加工的特點與實現條件/79

4.3 微細電極的在線制作與檢測/83

4.4 微細電火花加工中的脈沖電源與控制系統(tǒng)/90

4.5 微細電火花加工裝備/95

4.6 微細電火花銑削加工技術/100

4.7 微細電火花線切割加工技術/108

4.8 微細電化學加工技術/111

參考文獻/117

第5章 高能束流微細特種加工技術/118

5.1 電子束微細加工技術/118

5.2 離子束微細加工技術/126

5.3 激光微細加工技術/136

參考文獻/150

第6章 半導體材料的微細加工技術/152

6.1 集成電路的工藝基礎一一平面硅工藝/152

6.2 薄膜成形技術/154

6.3 摻雜技術/159

6.4 光刻技術/161

6.5 硅的體微加工技術/163

6.6 硅的表面微加工技術/171

6.7 鍵合技術/173

6.8

電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生電化學陽極溶解的原理對材料進行腐蝕成形的加工方法 。從加工機理上看 , 工件陽極上的金屬原子在加工中不斷地失去電子成為離子而從工件上溶解 , 其材料的減少過程以離子的形式進行 , 這種微離子去除方式使電解加工具有微細加工能力 。又因為電解加工過程中工具電極和工件不接觸 ,具有加工材料范圍廣泛 ,不受材料強度 、硬度 、韌性的影響 ,工件表面無加工應力 、無變形以及熱影響區(qū) 、無工具電極損耗 、加工表面質量好等一系列獨特的優(yōu)點, 微細電解加工技術是當前電化學加工領域中最活躍也是最熱點的研究方向。近幾年來 ,微細電解加工技術延續(xù)了 20 世紀 90 年代以來的良好發(fā)展勢頭 , 工藝技術水平和設備性能均得到了穩(wěn)步發(fā)展 , 應用領域進一步擴展 。下面簡要對幾種典型微細電解加工技術進行介紹和討論 。

掩膜微細電解加工

掩膜微細電解加工是結合了掩膜光刻技術的電解加工方法 。它是在工件的表面( 單面或雙面) 涂敷一層光刻膠 ,經過光刻顯影后 ,工件上形成具有一定圖案的裸露表面 , 然后通過束流電解加工或浸液電解加工 ,選擇性地溶解未被光刻膠保護的裸露部分 ,最終加工出所需形狀工件。由于金屬溶解是各向同性的 ,金屬在徑向溶解的同時也橫向被溶解 , 因此研究如何控制溶解形狀 、盡量減少橫向溶解等對保證掩膜微細電解的加工精度非常重要。為了提高加工速度和加工精度, 可在工件兩面都覆蓋一層圖案完全相同的掩膜 , 從兩邊相向同時進行溶解 。

電液流微細電解加工

電液流微細加工是在金屬管電極加工小孔的基礎上發(fā)展起來的一種微細電解加工方法, 主要用于加工航空工業(yè)中的各種小孔結構。電液流加工時,采用呈收斂形狀的絕緣玻璃管噴嘴抑制電化學反應的雜散腐蝕 ,高壓電解液由玻璃管中的高壓金屬絲極化后,高速射向工件待加工部位 ,利用高電壓電場進行金屬的電化學去除加工。玻璃管電極是電射流加工的主要工具。玻璃管的直徑大小決定了電射流加工的尺度, 通常加工孔徑為 0 . 13 ～ 1 . 30 mm 。據國外報道, 可加工最小孔徑為 0 . 025 mm , 加 工 精 度 為 孔 徑 的 ±5 %或 ±0 . 025 mm。電射流加工技術非常適合加工航空發(fā)動機高溫渦輪葉片的深小孔 、孔軸線與表面夾角很小的斜孔和群孔等。電液流加工方法不存在切削力 ,因此可對薄壁零件進行切割。由于玻璃管陰極的制造工藝限制了陰極直徑尺寸不可能任意縮小,從而大大限制了電液束加工的能力。采用陰極不進給的方式,加工孔徑不受電極直徑尺寸的限制, 故可加工出直徑小于 0 . 1 mm 的微孔, 但加工深度很有限 。而采用陰極進給方式 ,加工孔徑至少要大于陰極管的外徑。目前的研究水平表明, 對于直徑為 0 . 2mm以上的微孔,采用陰極進給方式加工 , 可加工出深徑比為 100∶ 1 的深小孔 。

EFAB 技術

EFAB( Electrochemical Fabrication)制作技術是由美國南加州大學信息研究所的 Adam Coben 等人于1999 年提出的。它是基于 SFF( Solid Freeform Fabrication) 的分層制造原理 , 用一系列實時的掩模板選擇性電沉積金屬將微結構層層堆積起來 , 這些實時的掩模板是通過將光刻膠涂于金屬襯底上 ,經光刻顯影后形成的 。在電沉積時 ,掩模板的襯底作為電鑄陽極, 這與 LIGA 和準 LIGA 技術中的掩模電鑄是完全不同的[ 12] 。利用 EFAB 制作三維金屬微結構需循環(huán)進行選擇性電沉積、平鋪電沉積和平坦化 3個步驟以及最后的選擇性刻蝕, 選擇性電沉積和平鋪電沉積的金屬, 既可是結構金屬也可是犧牲層金屬 ,它克服了 LIGA 和準 LIGA 只能加工簡單平面三維的缺點,能加工真正的三維圖形,因而具有很好發(fā)展前景。但 EFAB 也存在著加工過程非常復雜、步驟繁多的問題,這使制造費用極其昂貴。

約束刻蝕劑層技術

約束刻蝕劑層技術( Confined Etchant Layer Technique, 簡稱 CELT) 是 1992 年由廈門大學的田昭武院士等人提出的。該技術將傳統(tǒng)的各向同性的濕法化學刻蝕變?yōu)榫哂芯嚯x敏感性的化學刻蝕 , 能在不同的材料( 半導體、金屬和絕緣材料) 上實現復雜三維微圖形的復制加工 ,已成功地在 Si 、Cu 、GaAs 等材料上加工出復雜三維立體結構。其加工的基本原理是 : 利用電化學或光化學反應在三維圖形的模板表面產生刻蝕劑,當刻蝕劑向溶液中擴散時 ,與溶液中的捕捉劑迅速發(fā)生反應 , 致使刻蝕劑幾乎無法從模板表面往溶液深處擴散 , 從而把刻蝕劑緊緊地約束在模板表面輪廓附近的很小區(qū)域內。當模板逐步靠近待加工材料的表面時 , 被約束的刻蝕劑就能和待加工基底的表面發(fā)生化學反應 , 從而加工出與模板互補的三維微圖形 。

脈沖微細電解加工技術

雖然電解加工利用電化學溶解蝕除的方式加工 ,理論上可達到離子級的加工精度 ,在加工質量上又具有很多優(yōu)點 ,但加工中在陽極工件表面不管是加工區(qū)還是非加工區(qū)只要有電流通過 , 都會發(fā)生電化學反應 ,造成雜散腐蝕 。因此 ,將其應用于微細加工領域 ,必須解決雜散腐蝕的問題 ,提高電化學反應的定域蝕除能力 。早期研究發(fā)現 ,脈沖電解可提高溶解的定域性和過程穩(wěn)定性 , 但對脈沖寬度在溶解定域性上起多大作用及其起作用的具體機理并不清楚 。后來研究發(fā)現 ,脈沖電解中采用脈寬為毫秒級和微秒級的脈沖 ,可使電流效率-電流密度曲線的斜率增大 ,加工過程的非線性效應增強 ,工件溶解的定域性得到提高 , 有利于提高加工精度 。隨著納秒脈沖電源的應用 ,微細電解加工得以向更細微化的方向發(fā)展 。德國 Fritz -Haber 研究所的 R . Schuster 、 V . Kirchner 等人采用脈沖寬度為納秒級的超短脈沖電流進行電化學微細加工新技術 , 成功地加工出了數微米尺寸的微細零件 , 加工精度可達幾百納米 ,充分發(fā)揮了脈沖電流微細電解加工的潛力 。該技術根據電化學測試技術 ,在電解加工系統(tǒng)中又增加了參比電極和輔助電極 ,用電化學恒電位儀嚴格監(jiān)控工具和工件的電極電位( 將工具電位控制在被加工金屬的平衡電位 , 工件電位控制在高于工具電位 0 . 2 V) ; 通過對極間電流波形的高速采樣精密控制加工間隙至 1 μ m , 使用超短脈沖( 脈寬30 ns 、占空比 1∶ 10) 小容量電源提供能量 , 實現了亞微米級精度的電化學加工 。

其他有關微細電解加工的研究進展

基于掃描探針顯微術的微細電解加工技術近年來受到廣泛關注 , 其中既有基于掃描電化學顯微鏡( SECM) 的 ,也有基于掃描隧道顯微鏡( STM )的 , 不過基本上都是處于實驗室研究階段 。該方法的特點是加工尺度可達微米級以下 ,顯示出微細電解加工技術在微/納加工領域的潛能 。加工中的陰極通常采用電化學腐蝕得到的探針電極 , 探針的形狀和尺寸對加工的分辨率和加工質量有很大影響 ,探針針尖尺寸可小至納米級 。日本研究人員采用 STM 進行電解腐蝕 , 加工出深 100 nm 、寬 200 ～ 300 nm 的微槽。也有人嘗試采用激光與 STM 聯用進行電解微/納米材料加工的新方法 。考慮到采用 STM 進行微細電解加工對設備和加工條件要求苛刻 ,有人提出相對簡單的基于掃描離子電導顯微術的電解微細加工方法 : 采用內部充滿電解液的微滴管作為微探針 ,微滴管的尖端口徑從 0 . 1 μ m 到數十微米不等 ,在微滴管內設置一金屬電極構成陰極 , 通過反饋控制電路保持微滴管與陽極表面的間距恒定,移動微滴管以不同路徑橫向掃描陽極 , 即可在陽極表面加工出任意形狀的點 、線 、面結構 。