论文部分内容阅读
摘要：随着航空航天、国防工业、微电子工业、现代医学以及生物工程技术的发展，对精密三维微小零件(特征尺寸在微米级到毫米级)的需求日益迫切。其结构形状的特异化、零件材料的多样化、尺寸与表面质量的高精度化戍为三维微小零件及其微型装置及设备的显著特征，在使用功能、材料特性、结构形状、可靠性等方面的要求也越来越高。本文着重对微机械制造技术的特点、微机械制造技术的应用进行整理和描述总结，以期为我国未来的先进制造技术研究与计划制订提供参考。
关键词：超微制造；微小零件；微机械
中图分类号：F407文献标识码： A
引言
微机械自20世纪80年代中期发展至今一直受到世界各发达国家的广泛重视，被认为是一项面向21世纪可以广泛应用的新技术。目前所谓的微机械，大致分为两大类：一类称之为微机械电子系统(MEMS)，侧重于用集成电路可兼容技术加工制造的元器件；另一类就是微缩后的传统机械，如微型机床、微型汽车、微型飞机、微机器人等。
微机械加工起始于硅基(电子)微加工技术，本质上讲是集成电路(Ic)制造工艺和硅微加工技术的结合。后来发展了一系列独立于硅微加工技术的新技术，而且加工材料也不仅限于硅。概括来讲。微机械制造技术是在微电子制造工艺基础上吸收融合其他加工工艺技术逐渐发展起来的。是实现各种微机械结构的手段。
一、微机械特点
1、体积小、精度高、重量轻
其体积可达亚微米以下，尺寸精度达纳米级，重量可至纳克。已经制出了直径细如发丝的齿轮、能开动的3mm大小的汽车和花生米大的飞机。最近有资料表明，科学家们已能在5平方毫米内放置1000台微型发动机。
2、性能稳定、可靠性高
由于微机械的体积小，几乎不受热膨胀、噪声、挠曲等因素影响，具有较高的抗干扰性，可在较差的环境下进行稳定的工作。
3、能耗低、灵敏度和工作效率高
微机械所消耗的能量远小于传统机械的十分之一，但却能以十倍以上的速度来完成同样的工作，如5mm×5mm×0.7mm的微型泵的流速是比其体积大得多的小型泵的1000倍，而且机电一体化的微机械不存在信号延迟题目，可进行高速工作。
3、多功能和智能化
微机械集传感器、执行器、信号处理和电子控制电路为一体，易于实现多功能化和智能化适用于大批量生产、制造本钱低。微机械采用和半导体制造工艺类似的方法生产，可以象超大规模集成电路芯片一样一次制成大量的完全相同的部件，制造本钱大大降低。
二、微机械制造技术及应用
1、微机械蚀刻技术
在集成电路制造中所使用的加工工艺只考虑到深度在大约10μm的硅片表面的范围,在微机械结构元件的加工中,要穿过整个硅片厚度进行硅的三维加工。根据使用的蚀刻剂的不同,可分为湿法蚀刻和干法蚀刻；根据蚀刻特性的不同又可以分为各向同性蚀刻和各向异性蚀刻。当蚀刻剂为液体时所进行的蚀刻称为湿法蚀刻,而蚀刻剂为气体时则称为干法蚀刻。若蚀刻是在硅片的所有方向均匀蚀刻时,称为各向同性蚀刻,若蚀刻速度与单晶硅的晶向有密切关系,即不同晶向的蚀刻速度相差很大时,则称为各向异性蚀刻。在湿法蚀刻中,依据蚀刻剂的不同,既可进行各向同性蚀刻也可进行各向异性蚀刻。同样,在干法蚀刻时,依据蚀刻方法的不同,既可进行各向同性蚀刻,也可进行各向异性蚀刻。各向同性蚀刻时,从掩模窗口开始,腐蚀向各个方向进行,把掩模窗口下切削成半圆状,被称为“侧向蚀刻(sideetch)”或“钻蚀(undercut)”。有时,可有意地利用这种现象进行准三维蚀刻,但它的深宽比不够。各向异性蚀刻时,由于单晶硅的原子结构的原因,使得不同晶面具有不同的腐蚀速率,对晶面(100)的硅衬底进行各向异性腐蚀时,会在沿着(111)晶面上停蚀,(111)面与(110)面构成的角54.75°。利用这种蚀刻速率与结晶面的依存关系,可在硅衬底上加工出各种各样的结构来。目前国外用该成形方法已研制出阀片式微流量传感器。
2、半导体硅基微机械加工技术
2.1 硅体微加工技术
硅体加工技术主要包括腐蚀、镀膜、掺杂和键合4种。其中最为常用的是利用硅的各向异性特点所进行的腐蚀技术。根据沿晶向腐蚀速度的不同。腐蚀可分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀。各向同性腐蚀是指硅在各个晶向有相同的腐蚀速率。因而适用于圆形结构的加工；各向异性腐蚀是指硅在不同的晶向有不同的腐蚀速率，它是三维结构硅微机械加工的关键技术。利用它加工的微机械结构的厚度可以达到整个硅片的厚度。并且可以在硅微衬底上加工出各种各样的微结构。键合技术是指不利用任何黏合剂，只通过化学键和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密结合在一起，来获得复杂构造，实现更多功能。
2.2 硅表面微机械制造技术
硅表面微加工是微机械器件完全制作在晶片表面而不穿透晶片表面的一种加工技术，即在硅片正面上形成薄膜并按一定要求使其局部与硅体分离，对薄膜进行加工形成微结构的技术，全部加工仅涉及到硅片正面的薄膜。分离主要是靠牺牲层(sacrificelayer)技术。即在硅衬底上先沉积上一层最后要被腐蚀(牺牲)掉的膜。再在其上淀积制造微机械的膜。然后用光刻技术制造出微机械图形和腐蚀下层膜的通道。待一切完成后就可进行牺牲层腐蚀而使微机械结构自由释放出来。由于薄膜的加工采用光刻技术。避免了体微加工所要求的双面对准、背面腐蚀等问题。
3、LIGA技术
LIGA技术是一种基于X射线光刻技术的三维微结构加工技术,主要包括X光深度同步辐射光刻,电铸成型和注塑成型三个工艺步骤。LIGA技术借鉴了平面IC工艺中的光刻手段,但是它对材料加工的深宽比远大于标准IC生产中的平面工艺和薄膜的亚微米光刻技術,并且加工的厚度也远大于平面工艺的典型值2μm；同时,它还可以实现对非硅材料的三维微细加工,用材也更为广泛。LIGA技术的产生及在微加工技术上的应用将推动MEMS技术更快地发展和更广泛的应用。
4、准LIGA技术
LIGA技术工艺步骤比较复杂,成本费用昂贵。为了避免使用价格昂贵的同步辐射光,可用近紫外线作为光刻时的替代光源,用一种类似于LIGA技术的工艺称为准LIGA技术,也能加工有较大深宽比的三维微结构。其工艺过程如下:
4.1 在硅衬底上用溅射法形成一层约230㎜的钨化钦薄膜。钨化钦附着性好,而且还可以作为光刻时的阻挡层。经过清洗处理,再蒸镀上一层200㎜左右的金,作为预镀层。
4.2 接着,多次利用旋涂方法,得到约30μm的正性抗蚀层。
4.3 掩模与抗蚀层密切接触曝光,可得到陡峭的轮廓。
4.4 光源一般用高压汞灯。曝光后在碱性显影液中显影,水洗并小合烘干,可得到深宽比大于7的微结构。
4.5 对光刻后的微结构进行电镀,可得到三维金属微结构,可用湿式蚀刻法或反应性离子蚀刻除去预镀层的金和钨化钦。
5、传统制造技术
5.1 超精密机械制造技术
超精密机械制造是用硬度高于工件的工具,对工件材料进行切削加工。目前所用的工具有车刀、钻头、铣刀等,如采用钻石刀具微切削技术可加工直径Φ25μm的轴,表面粗糙度值很低;采用微钻头可以加工直径为Φ2.5μm的孔;采用微细磨料加工可提高加工精度和工件表面的质量,加工单位可达0.01μm,表面粗糙度Rao0.005μm。采用金属丝放电磨削加工可加工出外径Φ0.1mm的注射针头和口径Φ0.6mm的微细喷嘴。
5.2 特种加工工艺
5.2.1 激光束加工。激光发生器将高能量密度的激光进一步聚焦后照射到工件表面。光能被吸收瞬时转化为热能。根据能量密度的高低,可以实现打小孔、微孔、精密切削、加工精微防伪标记、激光微调、动平衡、打字、焊接和表面热处理。
5.2.2 微细电火花加工。微细电火花加工是在绝缘的工作液中通过工具电极和工件间脉冲火花放电产生的瞬时、局部高温来熔化和汽化蚀除金属的加工技术。实现电火花加工的关键在于电极的制作、微小能量放电电源、工具电极的微量伺服进给、加工状态检测、系统控制及加工工艺方法等。由于形状复杂的微小电极本身极难甚至无法制作，而且加工过程中电极的严重损耗，使得成型电极的形状很快改变，而无法进行高精度的三维曲面加工。因此人们开始探索使用简单形状的电极，借鉴数控铣削工艺进行微细三维轮廓的电火花加工。
三、结束语
总之，微机械及其制造技术的特点是：多学科交叉、多种加工技术的应用、新原理和新设计的探索，是一个非常活跃的新兴的技术领域，已日渐成为人们关注的中心。它有可能象微电子技术的出现和应用所产生的巨大影响一样，促使人类熟悉和改造世界的能力取得重大突破。
参考文献
[1]林英杰．精傲制造技术及精微共用实验室简介[J]．机械工业杂志．2007，12：20-22．
[2]黄昆明．精微制造技术专辑主编前言[J]．机械工业杂志，2007，12：l8-20
[3]贾育芹．王培霞．微观世界中的机械[J]．现代物理知识．2008．16(5)．
关键词：超微制造；微小零件；微机械
中图分类号：F407文献标识码： A
引言
微机械自20世纪80年代中期发展至今一直受到世界各发达国家的广泛重视，被认为是一项面向21世纪可以广泛应用的新技术。目前所谓的微机械，大致分为两大类：一类称之为微机械电子系统(MEMS)，侧重于用集成电路可兼容技术加工制造的元器件；另一类就是微缩后的传统机械，如微型机床、微型汽车、微型飞机、微机器人等。
微机械加工起始于硅基(电子)微加工技术，本质上讲是集成电路(Ic)制造工艺和硅微加工技术的结合。后来发展了一系列独立于硅微加工技术的新技术，而且加工材料也不仅限于硅。概括来讲。微机械制造技术是在微电子制造工艺基础上吸收融合其他加工工艺技术逐渐发展起来的。是实现各种微机械结构的手段。
一、微机械特点
1、体积小、精度高、重量轻
其体积可达亚微米以下，尺寸精度达纳米级，重量可至纳克。已经制出了直径细如发丝的齿轮、能开动的3mm大小的汽车和花生米大的飞机。最近有资料表明，科学家们已能在5平方毫米内放置1000台微型发动机。
2、性能稳定、可靠性高
由于微机械的体积小，几乎不受热膨胀、噪声、挠曲等因素影响，具有较高的抗干扰性，可在较差的环境下进行稳定的工作。
3、能耗低、灵敏度和工作效率高
微机械所消耗的能量远小于传统机械的十分之一，但却能以十倍以上的速度来完成同样的工作，如5mm×5mm×0.7mm的微型泵的流速是比其体积大得多的小型泵的1000倍，而且机电一体化的微机械不存在信号延迟题目，可进行高速工作。
3、多功能和智能化
微机械集传感器、执行器、信号处理和电子控制电路为一体，易于实现多功能化和智能化适用于大批量生产、制造本钱低。微机械采用和半导体制造工艺类似的方法生产，可以象超大规模集成电路芯片一样一次制成大量的完全相同的部件，制造本钱大大降低。
二、微机械制造技术及应用
1、微机械蚀刻技术
在集成电路制造中所使用的加工工艺只考虑到深度在大约10μm的硅片表面的范围,在微机械结构元件的加工中,要穿过整个硅片厚度进行硅的三维加工。根据使用的蚀刻剂的不同,可分为湿法蚀刻和干法蚀刻；根据蚀刻特性的不同又可以分为各向同性蚀刻和各向异性蚀刻。当蚀刻剂为液体时所进行的蚀刻称为湿法蚀刻,而蚀刻剂为气体时则称为干法蚀刻。若蚀刻是在硅片的所有方向均匀蚀刻时,称为各向同性蚀刻,若蚀刻速度与单晶硅的晶向有密切关系,即不同晶向的蚀刻速度相差很大时,则称为各向异性蚀刻。在湿法蚀刻中,依据蚀刻剂的不同,既可进行各向同性蚀刻也可进行各向异性蚀刻。同样,在干法蚀刻时,依据蚀刻方法的不同,既可进行各向同性蚀刻,也可进行各向异性蚀刻。各向同性蚀刻时,从掩模窗口开始,腐蚀向各个方向进行,把掩模窗口下切削成半圆状,被称为“侧向蚀刻(sideetch)”或“钻蚀(undercut)”。有时,可有意地利用这种现象进行准三维蚀刻,但它的深宽比不够。各向异性蚀刻时,由于单晶硅的原子结构的原因,使得不同晶面具有不同的腐蚀速率,对晶面(100)的硅衬底进行各向异性腐蚀时,会在沿着(111)晶面上停蚀,(111)面与(110)面构成的角54.75°。利用这种蚀刻速率与结晶面的依存关系,可在硅衬底上加工出各种各样的结构来。目前国外用该成形方法已研制出阀片式微流量传感器。
2、半导体硅基微机械加工技术
2.1 硅体微加工技术
硅体加工技术主要包括腐蚀、镀膜、掺杂和键合4种。其中最为常用的是利用硅的各向异性特点所进行的腐蚀技术。根据沿晶向腐蚀速度的不同。腐蚀可分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀。各向同性腐蚀是指硅在各个晶向有相同的腐蚀速率。因而适用于圆形结构的加工；各向异性腐蚀是指硅在不同的晶向有不同的腐蚀速率，它是三维结构硅微机械加工的关键技术。利用它加工的微机械结构的厚度可以达到整个硅片的厚度。并且可以在硅微衬底上加工出各种各样的微结构。键合技术是指不利用任何黏合剂，只通过化学键和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密结合在一起，来获得复杂构造，实现更多功能。
2.2 硅表面微机械制造技术
硅表面微加工是微机械器件完全制作在晶片表面而不穿透晶片表面的一种加工技术，即在硅片正面上形成薄膜并按一定要求使其局部与硅体分离，对薄膜进行加工形成微结构的技术，全部加工仅涉及到硅片正面的薄膜。分离主要是靠牺牲层(sacrificelayer)技术。即在硅衬底上先沉积上一层最后要被腐蚀(牺牲)掉的膜。再在其上淀积制造微机械的膜。然后用光刻技术制造出微机械图形和腐蚀下层膜的通道。待一切完成后就可进行牺牲层腐蚀而使微机械结构自由释放出来。由于薄膜的加工采用光刻技术。避免了体微加工所要求的双面对准、背面腐蚀等问题。
3、LIGA技术
LIGA技术是一种基于X射线光刻技术的三维微结构加工技术,主要包括X光深度同步辐射光刻,电铸成型和注塑成型三个工艺步骤。LIGA技术借鉴了平面IC工艺中的光刻手段,但是它对材料加工的深宽比远大于标准IC生产中的平面工艺和薄膜的亚微米光刻技術,并且加工的厚度也远大于平面工艺的典型值2μm；同时,它还可以实现对非硅材料的三维微细加工,用材也更为广泛。LIGA技术的产生及在微加工技术上的应用将推动MEMS技术更快地发展和更广泛的应用。
4、准LIGA技术
LIGA技术工艺步骤比较复杂,成本费用昂贵。为了避免使用价格昂贵的同步辐射光,可用近紫外线作为光刻时的替代光源,用一种类似于LIGA技术的工艺称为准LIGA技术,也能加工有较大深宽比的三维微结构。其工艺过程如下:
4.1 在硅衬底上用溅射法形成一层约230㎜的钨化钦薄膜。钨化钦附着性好,而且还可以作为光刻时的阻挡层。经过清洗处理,再蒸镀上一层200㎜左右的金,作为预镀层。
4.2 接着,多次利用旋涂方法,得到约30μm的正性抗蚀层。
4.3 掩模与抗蚀层密切接触曝光,可得到陡峭的轮廓。
4.4 光源一般用高压汞灯。曝光后在碱性显影液中显影,水洗并小合烘干,可得到深宽比大于7的微结构。
4.5 对光刻后的微结构进行电镀,可得到三维金属微结构,可用湿式蚀刻法或反应性离子蚀刻除去预镀层的金和钨化钦。
5、传统制造技术
5.1 超精密机械制造技术
超精密机械制造是用硬度高于工件的工具,对工件材料进行切削加工。目前所用的工具有车刀、钻头、铣刀等,如采用钻石刀具微切削技术可加工直径Φ25μm的轴,表面粗糙度值很低;采用微钻头可以加工直径为Φ2.5μm的孔;采用微细磨料加工可提高加工精度和工件表面的质量,加工单位可达0.01μm,表面粗糙度Rao0.005μm。采用金属丝放电磨削加工可加工出外径Φ0.1mm的注射针头和口径Φ0.6mm的微细喷嘴。
5.2 特种加工工艺
5.2.1 激光束加工。激光发生器将高能量密度的激光进一步聚焦后照射到工件表面。光能被吸收瞬时转化为热能。根据能量密度的高低,可以实现打小孔、微孔、精密切削、加工精微防伪标记、激光微调、动平衡、打字、焊接和表面热处理。
5.2.2 微细电火花加工。微细电火花加工是在绝缘的工作液中通过工具电极和工件间脉冲火花放电产生的瞬时、局部高温来熔化和汽化蚀除金属的加工技术。实现电火花加工的关键在于电极的制作、微小能量放电电源、工具电极的微量伺服进给、加工状态检测、系统控制及加工工艺方法等。由于形状复杂的微小电极本身极难甚至无法制作，而且加工过程中电极的严重损耗，使得成型电极的形状很快改变，而无法进行高精度的三维曲面加工。因此人们开始探索使用简单形状的电极，借鉴数控铣削工艺进行微细三维轮廓的电火花加工。
三、结束语
总之，微机械及其制造技术的特点是：多学科交叉、多种加工技术的应用、新原理和新设计的探索，是一个非常活跃的新兴的技术领域，已日渐成为人们关注的中心。它有可能象微电子技术的出现和应用所产生的巨大影响一样，促使人类熟悉和改造世界的能力取得重大突破。
参考文献
[1]林英杰．精傲制造技术及精微共用实验室简介[J]．机械工业杂志．2007，12：20-22．
[2]黄昆明．精微制造技术专辑主编前言[J]．机械工业杂志，2007，12：l8-20
[3]贾育芹．王培霞．微观世界中的机械[J]．现代物理知识．2008．16(5)．