微机械与微细加工技术序言

随着微技术（Microtechnology）的不断发展，以形状尺寸微小、操作尺度极小为特征的微机械已成为人们从微观角度认识和改造客观世界的一种高新技术。微机械在国防、医疗、仪器检测、材料等领域，尤其是活动空间狭小、操作精度要求高、功能需要高度集成的航空航天等领域，具有广泛的应用前景。微机械不仅涉及微电子学、微机械学、微光学、微动力学、微流体力学、微热力学、材料学、物理学、化学和生物学等广泛的学科领域，而且涉及从材料、设计、制造、控制、能源直到检测、集成、封装等一系列的技术环节。微机械技术的发展以上述学科和技术为基础，反过来也将带动相关学科和技术的发展。此外，微机械技术还有望成为研究纳米技术的重要手段。因此，微机械被列为本世纪末10大关键技术之首，并受到各工业发达国家的高度重视。如：欧洲的尤里卡计划明确提出将微机械作为一个重要的研究内容，并在法、德两国组织实施；美国国会也把微机械的研究作为21世纪重点发展的学科之一；日本通产省已于1991年启动一项为期10年的微机械研究计划。在我国，微机械与微细加工技术的研究也得到了许多部门的重视，国防科工委已提出将微型惯性测量组合MIMU（Micro Inertia Mea-surement Unit）等作为微机械的发展重点；国家科委、国家自然科学基金委员会也都将微机械与微细加工技术列为重点发展方向之一。

微机械作为一门学科出现，总共不过几年时间，国内外有关研究也还不成熟。

绪论

第一章 微机械理论基础

1.1 微机械学

1.2 微动力学

1.3 微电子学

1.4 微光学

1.5 微流体力学

1.6 微热力学

1.7 微摩擦学

1.8 纳米生物学

1.9 分子装配技术

第二章 微机械材料与微结构

2.1 引言

2.2 微机械材料

2.2.1 硅材料

2.2.2 形状记忆材料

2.2.3 压电陶瓷/电致伸缩材料

2.2.4 超磁致伸缩材料

2.2.5 电流变体

2.2.6 磁流变体

2.2.7 有机聚合物材料

2.3 微结构与微型智能结构

2.3.1 主动控制结构类

2.3.2 被动阻尼结构类

第三章 微细加工技术

3.1 引言

3.2 硅微细加工技术

3.2.1 薄膜制备技术

3.2.2 微机械器件薄膜制备技术

3.3 光刻技术

3.3.1 光刻掩模制作工艺

3.3.2 曝光技术

3.3.3 刻蚀技术

3.3.4 表面薄膜的化学刻蚀加工

3.4 牺牲层技术

3.5 外延技术

3.6 高能束刻蚀技术

3.6.1 离子束刻蚀

3.6.2 等离子体刻蚀

3.6.3 激光刻蚀

3.7 LIGA技术

3.8 微细立体光刻技术

3.9 精密放电加工技术与超精密机械加工技术

3.10 微机械装配与集成

3.10.1 堆装技术

3.10.2 封装技术

3.10.3 集成制造技术

第四章 准分子激光微细加工技术

4.1 引言

4.2 准分子激光器及其工作原理

4.2.1 准分子与准分子激光器

4.2.2 准分子激光器的泵浦方式

4.3 直写微细加工的准分子激光光束特性

4.3.1 直写微细加工

4.3.2 光束特性

4.4 准分子激光直写微细加工

4.4.1 聚焦准分子激光直接刻蚀硅材料

4.4.2 准分子激光辅助刻蚀硅材料

4.4.3 准分子激光直写微细加工

4.5 准分子激光直写微细加工系统

4.5.1 系统构成与工作原理

4.5.2 加工控制与监测

4.5.3 加工光斑

4.5.4 扫描运动

4.5.5 声光调制器

4.5.6 直写微细加工及其CAD/CAM

4.5.7 系统的加工精度分析

4.6 准分子激光直写刻蚀基本规律

4.6.1 微加工材料表面的显微形貌

4.6.2 准分子激光对于硅材料的直接刻蚀规律

4.6.3 单脉冲刻蚀情况.

4.6.4 热量与热影响区

4.6.5 刻蚀深度的变化规律

4.6.6 由冲击破坏现象引起的受力情况分析

4.7 光束质量的改善措施

第五章 微检测技术

5.1 引言

5.2 现代微观检测方法与设备

5.2.1 扫描探针显微镜

5.2.2 干涉与测量

5.3 微机械结构的几何尺寸测量

5.3.1 测量方法的分析与选择

5.3.2 基于光切法的微结构尺寸测量

5.3.3 基于光切法的图像测量系统设计

5.3.4 微结构件几何尺寸测量示例

5.4 物理量测量

5.4.1 弹性模量测量

5.4.2 残余应力测量

5.4.3 测量与结果

第六章 微传感器

6.1 引言

6.2 电量检测传感器

6.2.1 压电式传感器

6.2.2 电容式传感器

6.2.3 压阻式传感器

6.3 机械量微传感器

6.3.1 结构弹性变形微传感器

6.3.2 机械振动结构徽传感器

6.3.3 振动体激励微传感器

6.3.4 谐振集成微传感器

……

第七章 微致动器及其它微器件

第八章 典型微型电子机械系统与微机器人

苑伟政，男，1961年生，博士，教授，博士研究生导师。现任西北工业大学现代制造工程研究所所长兼微机械与微细加工技术研究室主任，机械制造学科跨世纪学科带头人。

主要从事微机械与微细加工技术、CAM与CIMS、难加工材料切削加工与精密加工技术等方面的研究工作。近年来主持承担了包括国家自然科学基金在内的24项研究课题，获省部级科技进步奖5项，发表研究论文40余篇，其中10余篇被工程索引（EI）收入。

马炳和，男，1972年生，河北省辛集市人，博士，西北工业大学讲师。主要研究方向为微电子机械系统（MEMS）、微细加工技术、精密测试技术等。

《微机械与微细加工技术》是由西北工业大学出版社出版的

第1章 微型机械与微细加工概论/1

1.1 微机械及其特点/1

1.2 微细加工技术的概念及其特点/4

1.3 微细加工技术的分类/6

1.4 微细加工技术的应用/9

1.5 发展微细加工技术的意义/15

参考文献/17

第2章 微机械与微细加工理论基础/18

2.1 微机械学/18

2.2 微电子学/33

2.3 微光学/37

2.4 分子装配技术/39

2.5 微细加工机理/41

参考文献/4l

第3章 微细切削加工技术/44

3.1 微切削加工机理与物理特性/44

3.2 微细车削加工技术/50

3.3 微细铣削加工技术/58

3.4 微细钻削加工技术/65

3.5 微细冲压加工/69

3.6 微细磨料喷射加工/7l

3.7 微细切削加工工作环境/74

参考文献/75

第4章 微细电加工技术/77

4.1 微细电加工技术概述/77

4.2 微细电火花加工的特点与实现条件/79

4.3 微细电极的在线制作与检测/83

4.4 微细电火花加工中的脉冲电源与控制系统/90

4.5 微细电火花加工装备/95

4.6 微细电火花铣削加工技术/100

4.7 微细电火花线切割加工技术/108

4.8 微细电化学加工技术/111

参考文献/117

第5章 高能束流微细特种加工技术/118

5.1 电子束微细加工技术/118

5.2 离子束微细加工技术/126

5.3 激光微细加工技术/136

参考文献/150

第6章 半导体材料的微细加工技术/152

6.1 集成电路的工艺基础一一平面硅工艺/152

6.2 薄膜成形技术/154

6.3 掺杂技术/159

6.4 光刻技术/161

6.5 硅的体微加工技术/163

6.6 硅的表面微加工技术/171

6.7 键合技术/173

6.8

电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理对材料进行腐蚀成形的加工方法 。从加工机理上看 , 工件阳极上的金属原子在加工中不断地失去电子成为离子而从工件上溶解 , 其材料的减少过程以离子的形式进行 , 这种微离子去除方式使电解加工具有微细加工能力 。又因为电解加工过程中工具电极和工件不接触 ,具有加工材料范围广泛 ,不受材料强度 、硬度 、韧性的影响 ,工件表面无加工应力 、无变形以及热影响区 、无工具电极损耗 、加工表面质量好等一系列独特的优点, 微细电解加工技术是当前电化学加工领域中最活跃也是最热点的研究方向。近几年来 ,微细电解加工技术延续了 20 世纪 90 年代以来的良好发展势头 , 工艺技术水平和设备性能均得到了稳步发展 , 应用领域进一步扩展 。下面简要对几种典型微细电解加工技术进行介绍和讨论 。

掩膜微细电解加工

掩膜微细电解加工是结合了掩膜光刻技术的电解加工方法 。它是在工件的表面( 单面或双面) 涂敷一层光刻胶 ,经过光刻显影后 ,工件上形成具有一定图案的裸露表面 , 然后通过束流电解加工或浸液电解加工 ,选择性地溶解未被光刻胶保护的裸露部分 ,最终加工出所需形状工件。由于金属溶解是各向同性的 ,金属在径向溶解的同时也横向被溶解 , 因此研究如何控制溶解形状 、尽量减少横向溶解等对保证掩膜微细电解的加工精度非常重要。为了提高加工速度和加工精度, 可在工件两面都覆盖一层图案完全相同的掩膜 , 从两边相向同时进行溶解 。

电液流微细电解加工

电液流微细加工是在金属管电极加工小孔的基础上发展起来的一种微细电解加工方法, 主要用于加工航空工业中的各种小孔结构。电液流加工时,采用呈收敛形状的绝缘玻璃管喷嘴抑制电化学反应的杂散腐蚀 ,高压电解液由玻璃管中的高压金属丝极化后,高速射向工件待加工部位 ,利用高电压电场进行金属的电化学去除加工。玻璃管电极是电射流加工的主要工具。玻璃管的直径大小决定了电射流加工的尺度, 通常加工孔径为 0 . 13 ～ 1 . 30 mm 。据国外报道, 可加工最小孔径为 0 . 025 mm , 加 工 精 度 为 孔 径 的 ±5 %或 ±0 . 025 mm。电射流加工技术非常适合加工航空发动机高温涡轮叶片的深小孔 、孔轴线与表面夹角很小的斜孔和群孔等。电液流加工方法不存在切削力 ,因此可对薄壁零件进行切割。由于玻璃管阴极的制造工艺限制了阴极直径尺寸不可能任意缩小,从而大大限制了电液束加工的能力。采用阴极不进给的方式,加工孔径不受电极直径尺寸的限制, 故可加工出直径小于 0 . 1 mm 的微孔, 但加工深度很有限 。而采用阴极进给方式 ,加工孔径至少要大于阴极管的外径。目前的研究水平表明, 对于直径为 0 . 2mm以上的微孔,采用阴极进给方式加工 , 可加工出深径比为 100∶ 1 的深小孔 。

EFAB 技术

EFAB( Electrochemical Fabrication)制作技术是由美国南加州大学信息研究所的 Adam Coben 等人于1999 年提出的。它是基于 SFF( Solid Freeform Fabrication) 的分层制造原理 , 用一系列实时的掩模板选择性电沉积金属将微结构层层堆积起来 , 这些实时的掩模板是通过将光刻胶涂于金属衬底上 ,经光刻显影后形成的 。在电沉积时 ,掩模板的衬底作为电铸阳极, 这与 LIGA 和准 LIGA 技术中的掩模电铸是完全不同的[ 12] 。利用 EFAB 制作三维金属微结构需循环进行选择性电沉积、平铺电沉积和平坦化 3个步骤以及最后的选择性刻蚀, 选择性电沉积和平铺电沉积的金属, 既可是结构金属也可是牺牲层金属 ,它克服了 LIGA 和准 LIGA 只能加工简单平面三维的缺点,能加工真正的三维图形,因而具有很好发展前景。但 EFAB 也存在着加工过程非常复杂、步骤繁多的问题,这使制造费用极其昂贵。

约束刻蚀剂层技术

约束刻蚀剂层技术( Confined Etchant Layer Technique, 简称 CELT) 是 1992 年由厦门大学的田昭武院士等人提出的。该技术将传统的各向同性的湿法化学刻蚀变为具有距离敏感性的化学刻蚀 , 能在不同的材料( 半导体、金属和绝缘材料) 上实现复杂三维微图形的复制加工 ,已成功地在 Si 、Cu 、GaAs 等材料上加工出复杂三维立体结构。其加工的基本原理是 : 利用电化学或光化学反应在三维图形的模板表面产生刻蚀剂,当刻蚀剂向溶液中扩散时 ,与溶液中的捕捉剂迅速发生反应 , 致使刻蚀剂几乎无法从模板表面往溶液深处扩散 , 从而把刻蚀剂紧紧地约束在模板表面轮廓附近的很小区域内。当模板逐步靠近待加工材料的表面时 , 被约束的刻蚀剂就能和待加工基底的表面发生化学反应 , 从而加工出与模板互补的三维微图形 。

脉冲微细电解加工技术

虽然电解加工利用电化学溶解蚀除的方式加工 ,理论上可达到离子级的加工精度 ,在加工质量上又具有很多优点 ,但加工中在阳极工件表面不管是加工区还是非加工区只要有电流通过 , 都会发生电化学反应 ,造成杂散腐蚀 。因此 ,将其应用于微细加工领域 ,必须解决杂散腐蚀的问题 ,提高电化学反应的定域蚀除能力 。早期研究发现 ,脉冲电解可提高溶解的定域性和过程稳定性 , 但对脉冲宽度在溶解定域性上起多大作用及其起作用的具体机理并不清楚 。后来研究发现 ,脉冲电解中采用脉宽为毫秒级和微秒级的脉冲 ,可使电流效率-电流密度曲线的斜率增大 ,加工过程的非线性效应增强 ,工件溶解的定域性得到提高 , 有利于提高加工精度 。随着纳秒脉冲电源的应用 ,微细电解加工得以向更细微化的方向发展 。德国 Fritz -Haber 研究所的 R . Schuster 、 V . Kirchner 等人采用脉冲宽度为纳秒级的超短脉冲电流进行电化学微细加工新技术 , 成功地加工出了数微米尺寸的微细零件 , 加工精度可达几百纳米 ,充分发挥了脉冲电流微细电解加工的潜力 。该技术根据电化学测试技术 ,在电解加工系统中又增加了参比电极和辅助电极 ,用电化学恒电位仪严格监控工具和工件的电极电位( 将工具电位控制在被加工金属的平衡电位 , 工件电位控制在高于工具电位 0 . 2 V) ; 通过对极间电流波形的高速采样精密控制加工间隙至 1 μ m , 使用超短脉冲( 脉宽30 ns 、占空比 1∶ 10) 小容量电源提供能量 , 实现了亚微米级精度的电化学加工 。

其他有关微细电解加工的研究进展

基于扫描探针显微术的微细电解加工技术近年来受到广泛关注 , 其中既有基于扫描电化学显微镜( SECM) 的 ,也有基于扫描隧道显微镜( STM )的 , 不过基本上都是处于实验室研究阶段 。该方法的特点是加工尺度可达微米级以下 ,显示出微细电解加工技术在微/纳加工领域的潜能 。加工中的阴极通常采用电化学腐蚀得到的探针电极 , 探针的形状和尺寸对加工的分辨率和加工质量有很大影响 ,探针针尖尺寸可小至纳米级 。日本研究人员采用 STM 进行电解腐蚀 , 加工出深 100 nm 、宽 200 ～ 300 nm 的微槽。也有人尝试采用激光与 STM 联用进行电解微/纳米材料加工的新方法 。考虑到采用 STM 进行微细电解加工对设备和加工条件要求苛刻 ,有人提出相对简单的基于扫描离子电导显微术的电解微细加工方法 : 采用内部充满电解液的微滴管作为微探针 ,微滴管的尖端口径从 0 . 1 μ m 到数十微米不等 ,在微滴管内设置一金属电极构成阴极 , 通过反馈控制电路保持微滴管与阳极表面的间距恒定,移动微滴管以不同路径横向扫描阳极 , 即可在阳极表面加工出任意形状的点 、线 、面结构 。