微細(xì)加工技術(shù)

第1章 微型機(jī)械與微細(xì)加工概論/1

1.1 微機(jī)械及其特點(diǎn)/1

1.2 微細(xì)加工技術(shù)的概念及其特點(diǎn)/4

1.3 微細(xì)加工技術(shù)的分類(lèi)/6

1.4 微細(xì)加工技術(shù)的應(yīng)用/9

1.5 發(fā)展微細(xì)加工技術(shù)的意義/15

參考文獻(xiàn)/17

第2章 微機(jī)械與微細(xì)加工理論基礎(chǔ)/18

2.1 微機(jī)械學(xué)/18

2.2 微電子學(xué)/33

2.3 微光學(xué)/37

2.4 分子裝配技術(shù)/39

2.5 微細(xì)加工機(jī)理/41

參考文獻(xiàn)/4l

第3章 微細(xì)切削加工技術(shù)/44

3.1 微切削加工機(jī)理與物理特性/44

3.2 微細(xì)車(chē)削加工技術(shù)/50

3.3 微細(xì)銑削加工技術(shù)/58

3.4 微細(xì)鉆削加工技術(shù)/65

3.5 微細(xì)沖壓加工/69

3.6 微細(xì)磨料噴射加工/7l

3.7 微細(xì)切削加工工作環(huán)境/74

參考文獻(xiàn)/75

第4章 微細(xì)電加工技術(shù)/77

4.1 微細(xì)電加工技術(shù)概述/77

4.2 微細(xì)電火花加工的特點(diǎn)與實(shí)現(xiàn)條件/79

4.3 微細(xì)電極的在線制作與檢測(cè)/83

4.4 微細(xì)電火花加工中的脈沖電源與控制系統(tǒng)/90

4.5 微細(xì)電火花加工裝備/95

4.6 微細(xì)電火花銑削加工技術(shù)/100

4.7 微細(xì)電火花線切割加工技術(shù)/108

4.8 微細(xì)電化學(xué)加工技術(shù)/111

參考文獻(xiàn)/117

第5章 高能束流微細(xì)特種加工技術(shù)/118

5.1 電子束微細(xì)加工技術(shù)/118

5.2 離子束微細(xì)加工技術(shù)/126

5.3 激光微細(xì)加工技術(shù)/136

參考文獻(xiàn)/150

第6章 半導(dǎo)體材料的微細(xì)加工技術(shù)/152

6.1 集成電路的工藝基礎(chǔ)一一平面硅工藝/152

6.2 薄膜成形技術(shù)/154

6.3 摻雜技術(shù)/159

6.4 光刻技術(shù)/161

6.5 硅的體微加工技術(shù)/163

6.6 硅的表面微加工技術(shù)/171

6.7 鍵合技術(shù)/173

6.8

王振龍，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械制造及自動(dòng)化系博士生導(dǎo)師。 　1983.9-1987.7，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程系本科生，學(xué)士學(xué)位。 　1987.9-1990.1，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程系碩士生，碩士學(xué)位。 　1997.3-2000.8，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，博士生，博士學(xué)位。 　2001.5-2004.4，哈爾濱工程大學(xué)控制科學(xué)與理論，博士后。 　1990.1-1998.9，哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海分校，助教（1990-1992），講師（1992-1996），副教 （1996-1998），教研室副主任（1992-1997）。 　1998.9-現(xiàn)在，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械制造及自動(dòng)化系，副教授（1998-2001），教授（2001-），博士生導(dǎo)師（2003-），系副主任（2002-）。 　黑龍江省機(jī)械工程學(xué)會(huì)理事，黑龍江省特種加工學(xué)會(huì)主任委員，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)微納米制造分會(huì)委員，全國(guó)高校特種加工教學(xué)研究會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)，日本精密工學(xué)會(huì)正會(huì)員，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)特種加工分會(huì)教育培訓(xùn)委員會(huì)副主任。 近年來(lái)先后完成和正在承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)及面上項(xiàng)目、國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目、總裝備部預(yù)先研究項(xiàng)目、國(guó)防科工委基礎(chǔ)科研項(xiàng)目等10余項(xiàng)。在微細(xì)加工工藝與裝備、基于電火花加工的新方法、多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)等方面取得多項(xiàng)成果。在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文70余篇，其中被SCI、EI等檢索系統(tǒng)收入20余篇，獲國(guó)防科技3等獎(jiǎng)1項(xiàng)，獲國(guó)家專(zhuān)利3項(xiàng)，主編、參編著作、教材7部。

電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生電化學(xué)陽(yáng)極溶解的原理對(duì)材料進(jìn)行腐蝕成形的加工方法 。從加工機(jī)理上看 , 工件陽(yáng)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(guò)程以離子的形式進(jìn)行 , 這種微離子去除方式使電解加工具有微細(xì)加工能力 。又因?yàn)殡娊饧庸み^(guò)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(qiáng)度 、硬度 、韌性的影響 ,工件表面無(wú)加工應(yīng)力 、無(wú)變形以及熱影響區(qū) 、無(wú)工具電極損耗 、加工表面質(zhì)量好等一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn), 微細(xì)電解加工技術(shù)是當(dāng)前電化學(xué)加工領(lǐng)域中最活躍也是最熱點(diǎn)的研究方向。近幾年來(lái) ,微細(xì)電解加工技術(shù)延續(xù)了 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)的良好發(fā)展勢(shì)頭 , 工藝技術(shù)水平和設(shè)備性能均得到了穩(wěn)步發(fā)展 , 應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)展 。下面簡(jiǎn)要對(duì)幾種典型微細(xì)電解加工技術(shù)進(jìn)行介紹和討論 。

掩膜微細(xì)電解加工

掩膜微細(xì)電解加工是結(jié)合了掩膜光刻技術(shù)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(jīng)過(guò)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(guò)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(hù)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(shí)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(duì)保證掩膜微細(xì)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(shí)進(jìn)行溶解 。

電液流微細(xì)電解加工

電液流微細(xì)加工是在金屬管電極加工小孔的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種微細(xì)電解加工方法, 主要用于加工航空工業(yè)中的各種小孔結(jié)構(gòu)。電液流加工時(shí),采用呈收斂形狀的絕緣玻璃管?chē)娮煲种齐娀瘜W(xué)反應(yīng)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(chǎng)進(jìn)行金屬的電化學(xué)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(jù)國(guó)外報(bào)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(shù)非常適合加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)薄壁零件進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(duì)于直徑為 0 . 2mm以上的微孔,采用陰極進(jìn)給方式加工 , 可加工出深徑比為 100∶ 1 的深小孔 。

EFAB 技術(shù)

EFAB( Electrochemical Fabrication)制作技術(shù)是由美國(guó)南加州大學(xué)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(shí)時(shí)的掩模板選擇性電沉積金屬將微結(jié)構(gòu)層層堆積起來(lái) , 這些實(shí)時(shí)的掩模板是通過(guò)將光刻膠涂于金屬襯底上 ,經(jīng)光刻顯影后形成的 。在電沉積時(shí) ,掩模板的襯底作為電鑄陽(yáng)極, 這與 LIGA 和準(zhǔn) LIGA 技術(shù)中的掩模電鑄是完全不同的[ 12] 。利用 EFAB 制作三維金屬微結(jié)構(gòu)需循環(huán)進(jìn)行選擇性電沉積、平鋪電沉積和平坦化 3個(gè)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(jié)構(gòu)金屬也可是犧牲層金屬 ,它克服了 LIGA 和準(zhǔn) LIGA 只能加工簡(jiǎn)單平面三維的缺點(diǎn),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(guò)程非常復(fù)雜、步驟繁多的問(wèn)題,這使制造費(fèi)用極其昂貴。

約束刻蝕劑層技術(shù)

約束刻蝕劑層技術(shù)( Confined Etchant Layer Technique, 簡(jiǎn)稱(chēng) CELT) 是 1992 年由廈門(mén)大學(xué)的田昭武院士等人提出的。該技術(shù)將傳統(tǒng)的各向同性的濕法化學(xué)刻蝕變?yōu)榫哂芯嚯x敏感性的化學(xué)刻蝕 , 能在不同的材料( 半導(dǎo)體、金屬和絕緣材料) 上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維微圖形的復(fù)制加工 ,已成功地在 Si 、Cu 、GaAs 等材料上加工出復(fù)雜三維立體結(jié)構(gòu)。其加工的基本原理是 : 利用電化學(xué)或光化學(xué)反應(yīng)在三維圖形的模板表面產(chǎn)生刻蝕劑,當(dāng)刻蝕劑向溶液中擴(kuò)散時(shí) ,與溶液中的捕捉劑迅速發(fā)生反應(yīng) , 致使刻蝕劑幾乎無(wú)法從模板表面往溶液深處擴(kuò)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(nèi)。當(dāng)模板逐步靠近待加工材料的表面時(shí) , 被約束的刻蝕劑就能和待加工基底的表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng) , 從而加工出與模板互補(bǔ)的三維微圖形 。

脈沖微細(xì)電解加工技術(shù)

雖然電解加工利用電化學(xué)溶解蝕除的方式加工 ,理論上可達(dá)到離子級(jí)的加工精度 ,在加工質(zhì)量上又具有很多優(yōu)點(diǎn) ,但加工中在陽(yáng)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(guò) , 都會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng) ,造成雜散腐蝕 。因此 ,將其應(yīng)用于微細(xì)加工領(lǐng)域 ,必須解決雜散腐蝕的問(wèn)題 ,提高電化學(xué)反應(yīng)的定域蝕除能力 。早期研究發(fā)現(xiàn) ,脈沖電解可提高溶解的定域性和過(guò)程穩(wěn)定性 , 但對(duì)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(jī)理并不清楚 。后來(lái)研究發(fā)現(xiàn) ,脈沖電解中采用脈寬為毫秒級(jí)和微秒級(jí)的脈沖 ,可使電流效率-電流密度曲線的斜率增大 ,加工過(guò)程的非線性效應(yīng)增強(qiáng) ,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(yīng)用 ,微細(xì)電解加工得以向更細(xì)微化的方向發(fā)展 。德國(guó) Fritz -Haber 研究所的 R . Schuster 、 V . Kirchner 等人采用脈沖寬度為納秒級(jí)的超短脈沖電流進(jìn)行電化學(xué)微細(xì)加工新技術(shù) , 成功地加工出了數(shù)微米尺寸的微細(xì)零件 , 加工精度可達(dá)幾百納米 ,充分發(fā)揮了脈沖電流微細(xì)電解加工的潛力 。該技術(shù)根據(jù)電化學(xué)測(cè)試技術(shù) ,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(xué)恒電位儀嚴(yán)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(guò)對(duì)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(shí)現(xiàn)了亞微米級(jí)精度的電化學(xué)加工 。

其他有關(guān)微細(xì)電解加工的研究進(jìn)展

基于掃描探針顯微術(shù)的微細(xì)電解加工技術(shù)近年來(lái)受到廣泛關(guān)注 , 其中既有基于掃描電化學(xué)顯微鏡( SECM) 的 ,也有基于掃描隧道顯微鏡( STM )的 , 不過(guò)基本上都是處于實(shí)驗(yàn)室研究階段 。該方法的特點(diǎn)是加工尺度可達(dá)微米級(jí)以下 ,顯示出微細(xì)電解加工技術(shù)在微/納加工領(lǐng)域的潛能 。加工中的陰極通常采用電化學(xué)腐蝕得到的探針電極 , 探針的形狀和尺寸對(duì)加工的分辨率和加工質(zhì)量有很大影響 ,探針針尖尺寸可小至納米級(jí) 。日本研究人員采用 STM 進(jìn)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(lián)用進(jìn)行電解微/納米材料加工的新方法 。考慮到采用 STM 進(jìn)行微細(xì)電解加工對(duì)設(shè)備和加工條件要求苛刻 ,有人提出相對(duì)簡(jiǎn)單的基于掃描離子電導(dǎo)顯微術(shù)的電解微細(xì)加工方法 : 采用內(nèi)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(shù)十微米不等 ,在微滴管內(nèi)設(shè)置一金屬電極構(gòu)成陰極 , 通過(guò)反饋控制電路保持微滴管與陽(yáng)極表面的間距恒定,移動(dòng)微滴管以不同路徑橫向掃描陽(yáng)極 , 即可在陽(yáng)極表面加工出任意形狀的點(diǎn) 、線 、面結(jié)構(gòu) 。

隨著對(duì)微細(xì)電解加工機(jī)理研究的深入 , 結(jié)合微細(xì)電解加工的特點(diǎn) , 綜合運(yùn)用現(xiàn)代控制技術(shù)理論 、控制檢測(cè)設(shè)備以及高效精確的電源設(shè)備 , 使電解加工在微細(xì)領(lǐng)域的加工能力進(jìn)一步提高 ,加工效率 、加工質(zhì)量以及加工穩(wěn)定性得到全面提升 ,主要的研究成果和進(jìn)展如下 。

基于納秒級(jí)脈沖和高頻群脈沖電源的微細(xì)電解加工試驗(yàn)研究：基于高頻窄脈沖的微細(xì)電解試驗(yàn)國(guó)外起步較早 , 取得了一定的成果 。而國(guó)內(nèi)起步較晚 , 近幾年來(lái) ,國(guó)內(nèi)一些科研院校和機(jī)構(gòu)也對(duì)納秒脈沖電源 、高頻窄脈沖電源和高頻群脈沖電源的微細(xì)電解加工技術(shù)進(jìn)行了深入研究 ,包括加工機(jī)理 、試驗(yàn)分析 、加工定域性分析等方面, 并成功地加工出一些微細(xì)結(jié)構(gòu) 。

超純水微細(xì)電解加工試驗(yàn)研究：超純水電解加工是在常規(guī)電解加工原理的基礎(chǔ)上 ,利用超純水作電解液 ,并采用強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換膜來(lái)提高超純水中 OH-離子濃度 ,使電流密度達(dá)到足夠去除材料的一種新型電解加工工藝方法 。日本學(xué)者率先提出以超純水代替常規(guī)電解液 , 實(shí)現(xiàn)綠色 、微細(xì)電解加工的思想 。國(guó)內(nèi)學(xué)者近年來(lái)也開(kāi)展了超純水電解加工機(jī)理、超純水小孔電解加工、超純水電化學(xué)掃描直寫(xiě)加工 、超聲輔助純水微細(xì)電解加工等研究 , 為超純水電解加工的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ) 。

微細(xì)電解復(fù)合加工技術(shù)試驗(yàn)研究：復(fù)合電解加工是指那些基于電化學(xué)陽(yáng)極溶解與其他加工作用( 如機(jī)械研磨 、電火花加工 、超聲加工 、磁力研磨) 相復(fù)合的加工方法 。由于兩種或者多種加工作用的復(fù)合 , 則加工作用相互促進(jìn) ,取長(zhǎng)補(bǔ)短 ,增強(qiáng)了加工能力 、擴(kuò)大了加工范圍 ,可全面實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量 、高效率 、低成本的要求 。而最近幾年在微細(xì)制造和加工方面 , 有關(guān)微細(xì)電解復(fù)合加工方面的研究越來(lái)越多 , 有效地提升了加工的效率和精度 。目前主要集中在電解與超聲復(fù)合 、電解與電火花復(fù)合 、電解與線切割復(fù)合等加工工藝研究上 。其中試驗(yàn)研究證明 ,微細(xì)復(fù)合電解加工技術(shù)在對(duì)某些特殊材料( 如硬質(zhì)合金) 的加工方面具有比單一超聲加工 、單一電解加工工藝更強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì) , 能獲得較好的加工精度 、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。利用微細(xì)電火花和微細(xì)電化學(xué)組合加工工藝對(duì)加工微細(xì)陣列軸孔的分析和研究 ,在加工過(guò)程中通過(guò)適度間歇抬刀 、超聲振動(dòng) 、循環(huán)流動(dòng)工作液等方法 ,較好地解決了微弧放電 、排屑 、加工區(qū)溫度過(guò)高等加工難題 , 獲得了質(zhì)量較好的 、大小在 30 ～ 100 μ m 的陣列孔 , 從而實(shí)現(xiàn)了微細(xì)陣列軸孔的電火花 、電化學(xué)組合加工 ,為大規(guī)模微細(xì)陣列軸孔的加工開(kāi)辟了高效 、可行的新工藝方法。國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對(duì)微細(xì)電解線切割加工工藝的基礎(chǔ)研究 ,也取得了較好的效果 。

結(jié)合工業(yè)實(shí)際對(duì)微細(xì)部件的電解加工試驗(yàn)研究：隨著航空 、汽車(chē) 、生物醫(yī)療等工業(yè)的發(fā)展 , 一些微細(xì)部件如微坑 、微細(xì)網(wǎng)孔等被廣泛應(yīng)用 。近幾年來(lái) ,結(jié)合工業(yè)方面的需求 ,院校和科研機(jī)構(gòu)也加大這方面的研究力度 ,不再一味地追求微細(xì)電解加工的極限能力 , 而是有側(cè)重地結(jié)合實(shí)際需要 , 如何更有效 、更經(jīng)濟(jì) 、更穩(wěn)定地加工出微細(xì)部件 。主要集中在蜂窩狀微坑 、微細(xì)槽 、微細(xì)軸 、微細(xì)群孔和具有一定結(jié)構(gòu)的微器件上 ,并取得了一定的成果 。

關(guān)于微細(xì)電解加工的基礎(chǔ)理論試驗(yàn)研究：為了提高微細(xì)電解加工的精度 、效率及改善加工過(guò)程的穩(wěn)定性 ,國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量基礎(chǔ)理論研究 : 使用絕緣掩模屏蔽保護(hù)工件上不需加工的部位 ,以制作高精度的陣列型孔或復(fù)雜圖形;電極側(cè)壁形成絕緣層來(lái)降低雜散腐蝕 , 減小側(cè)壁錐度和孔徑 , 提高加工的尺寸精度 ; 利用高頻窄脈沖或超短脈沖提高微細(xì)電解加工的定域性 , 進(jìn)行微米/亞微米精度的加工; 利用工具電極高速旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)電解液攪拌 , 提高加工穩(wěn)定性和效率; 使工件作微量偏心搖動(dòng)以勻化電解液液流 , 增強(qiáng)加工穩(wěn)定性 、提高加工精度等; 利用工具電極間隙回退和周期性跳躍來(lái)移除電解產(chǎn)物 , 增強(qiáng)電解液更新的方法 , 提高加工穩(wěn)定性 、效率以及加工精度分析電解產(chǎn)物對(duì)微細(xì)電解加工的影響等 。

有關(guān)微細(xì)電解加工的其他研究進(jìn)展：結(jié)合微細(xì)電解加工發(fā)展的方向 , 一些科研機(jī)構(gòu)逐步開(kāi)發(fā)自己的微細(xì)電解加工系統(tǒng) : 哈爾濱工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)了多功能三維微細(xì)電解加工系統(tǒng) ,南京航空航天大學(xué)研制了電化學(xué)微細(xì)加工監(jiān)控系統(tǒng)和陰極周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)的微細(xì)電解加工系統(tǒng); 加大了電解加工間隙的檢測(cè)和監(jiān)控方法研究力度 : 利用循環(huán)迭代間隙控制方案 ,快速調(diào)整工具進(jìn)給速度 ,使之近似等于工件去除速度 , 從而精確地維持恒定的小間隙 , 并利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建電解加工控制系統(tǒng); 利用加工電流和流體作用在陰極上的六維力為研究參數(shù) ,用最小二乘多變?cè)€性擬合法建立適當(dāng)?shù)年P(guān)系方程式 , 在 15 %的誤差范圍內(nèi)可用于在線檢測(cè)加工間隙; 特別是針對(duì)高頻窄脈沖電化學(xué)加工 ,對(duì)加工間隙進(jìn)行建模分析 ,提出間隙平均電流檢測(cè)法 ,從而精確地維持恒定的小間隙 。