微细与超微细加工技术学习教案

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1、会计学1微细与超微细加工微细与超微细加工(ji gng)技术技术第一页，共42页。热流动加工（火焰，高频，热射线，激光）压铸，挤压，喷射，浇注微离子流动加工热表面流动粘滞性流动摩擦流动变形加工(流动加工)化学镀，气相镀（电镀，电铸）氧化，氮化（阳极氧化）（真空）蒸镀，晶体增长，分子束外延烧结，掺杂，渗碳，（侵镀，熔化镀）溅射沉积，离子沉积（离子镀）离子溅射注入加工化学(电化学)附着化学(电化学)结合热附着扩散(熔化)结合物理结合注入结合加工(附着加工)车削，铣削，钻削，磨削蚀刻，化学抛光，机械化学抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工扩散去除加工，熔化去除加工离子束溅射去除加工

2、，等离子体加工机械去除化学分解电解蒸发扩散与熔化溅射分离加工(去除加工)加工方法加工机理微细与超微细加工机理与加工方法第2页/共42页第二页，共42页。单晶金刚石铣刀刀头形状第3页/共42页第三页，共42页。第4页/共42页第四页，共42页。BX导轨B轴回转工作台空气涡轮主轴刀具C轴回转工作台工件Z导轨空气油减振器C CFANUC 微型超精密加工机床第5页/共42页第五页，共42页。第6页/共42页第六页，共42页。电磁(dinc)驱动装置（直线电机）工作原理逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件加励磁电压，伸长逆压电元件

3、电磁铁1电磁铁2电磁铁2加励磁，夹紧电磁铁1去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件去掉励磁电压，恢复原长，电磁铁1移动 逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁加励磁，夹紧第7页/共42页第七页，共42页。直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司） 第8页/共42页第八页，共42页。直线驱动与伺服电机驱动比较 性 能 伺服电机滚珠丝杠 直线驱动 定位精度(m/300mm) 510 0.51.0 重复定位精度(m) 25 0.10.2 最高速度(m/min) 2050 60200 最大加速度(g) 12 210 寿命(h) 600010000 50000第9页/共42页第九页，共42页。电

4、极线沿着(yn zhe)导丝器中的槽以510mm/min的低速滑动，可加工圆柱形的轴。如导丝器通过数字控制作相应的运动，还可加工出各种形状的杆件。WEDG 可加工的各种截形杆WEDG工作原理工件金属丝导丝器第10页/共42页第十页，共42页。离子束4. 刻蚀（形成沟槽）5. 沉积（形成电路）6. 剥膜（去除光致抗蚀剂）3. 显影、烘片（形成窗口）窗口2. 曝光（投影或扫描）掩膜电子束电子束光刻大规模集成电路(jchng-dinl)加工过程1. 涂胶（光致抗蚀剂）氧化膜光致抗蚀剂基片第11页/共42页第十一页，共42页。要求：定位精度 0.1m，重复定位精度 0.01m导轨：硬质合金滚动体导轨，

5、或液（气）静压导轨工作台：粗动 伺服电机 + 滚珠丝杠 微动 压电晶体电致伸缩(shn su)机构电致伸缩微动工作台XY0Py1Py2Px微动工作台工作台微动的形成：X运动： Py1 Py2 Px长度变化(binhu)Y运动： Py1 Py2 Py1长度变化(binhu)Z转动： Py1 Py2 第12页/共42页第十二页，共42页。利用氩（Ar）离子或其它带有 10keV 数量级动能的惰性气体离子，在电场中加速，以极高速度“轰击”工件(gngjin)表面，进行“溅射”加工。图7-43 离子碰撞过程模型被排斥Ar离子回弹溅射原子位移原子格点间停留离子一次溅射原子Ar离子二次溅射原子Ar离子格点

6、置换离子位移原子工件表面工件真空第13页/共42页第十三页，共42页。惰性气体入口阴极中间电极电磁线圈阳极控制电极绝缘子引出电极离子束聚焦装置摆动装置工件三坐标工作台离子束去除加工装置加工装置：三坐标工作台可实现三坐标直线运动，摆动装置可实现绕水平轴的摆动和绕垂直轴的转动。第14页/共42页第十四页，共42页。离子束加工金刚石制品离子束离子束r = 0.01m预加工终加工a) 金刚石压头r = 0.01m离子束离子束预加工终加工b) 金刚石刀具第15页/共42页第十五页，共42页。离子束源靶溅射材料溅射粒子工件真空离子束溅射镀膜加工溅射镀膜可镀金属，也可镀非金属。由于溅射出来的原子和分子有相当

7、大的动能，故镀膜附着力极强（与蒸镀、电镀相比）。第16页/共42页第十六页，共42页。用在大规模集成电路制作中，与电子束相比有更高的灵敏度和分辨率。第17页/共42页第十七页，共42页。第18页/共42页第十八页，共42页。q 扫描隧道(sudo)显微测量（STM）A第19页/共42页第十九页，共42页。STMSTM工作过程演示STM实物(shw)照片 第20页/共42页第二十页，共42页。通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样 石墨三维图像 用STM移动分子(fnz)组成的IBM字样用STM观察石墨原子(yunz)排列第21页/共42页第二十一页，共42页。式中 h 普

8、郎克常数； e 电子电量(dinling)； ka，k0 系数。12d试件STM探针Ub STM隧道结第22页/共42页第二十二页，共42页。（2）恒电流测量模式：探针在试件表面扫描，使用反馈电路驱动探针，使探针与试件表面之间距离（隧道间隙）不变。此时探针移动直接描绘了试件表面形貌。此种测量模式隧道电流对隧道间隙的敏感性转移到反馈电路驱动电压与位移之间的关系上，避免了非线性，提高了测量精度和测量范围。b）试件输出运动轨迹驱动电路扫描器检测电路控制器 STM工作原理扫描器检测电路a）输出试件运动轨迹（1）等高测量模式：探针以不变高度在试件表面扫描，隧道电流随试件表面起伏而变化，从而得到试件表面形

9、貌信息。第23页/共42页第二十三页，共42页。STM针尖第24页/共42页第二十四页，共42页。（2）隧道电流反馈(fnku)控制计算机差分比较积分放大比例放大高压放大A/DXYZ控制信号设定电压前置放大对数放大（线性化）探针压电陶瓷试件隧道电流反馈控制系统原理框图D/A第25页/共42页第二十五页，共42页。（3）纳米级扫描运动(yndng)压电陶瓷扫描管（4）信号采集与数据处理由软件(run jin)完成。XZ陶瓷管金属膜+UX-UX-UY+UYUZa）LL0b）压电陶瓷扫描管结构(jigu)及工作原理当陶瓷管内壁接地，X轴两外壁电极电压相反时，陶瓷管一侧伸长，另一侧缩短，形成X方向扫描

10、。若两外壁电极电压相同，则陶瓷管伸长或缩短，形成Z方向位移。压电陶瓷扫描管结构见图。第26页/共42页第二十六页，共42页。原子力显微镜（AFM）A第27页/共42页第二十七页，共42页。STM驱动AFM扫描驱动AFM探针STM探针试件微力簧片AFM结构简图第28页/共42页第二十八页，共42页。 AFM实物(shw)照片扫描探针磁盘图像第29页/共42页第二十九页，共42页。精密精密(jngm)传感器传感器moving plateCapacitanceLVDIOptical LeverOptical Scale第30页/共42页第三十页，共42页。高精度双轴定位高精度双轴定位(dngwi)平

11、台平台第31页/共42页第三十一页，共42页。气浮导轨气浮导轨第32页/共42页第三十二页，共42页。X-Y微动平台(pngti)第33页/共42页第三十三页，共42页。X-Y- PZT微动平台微动平台(pngti)第34页/共42页第三十四页，共42页。PZT Drive外机构(jgu)：Z-x 两自由度运动中机构(jgu)：X-y-Y-z 四自由度运动六自由度微动台技术(jsh)第35页/共42页第三十五页，共42页。小型(xioxng)恒温恒湿控制隔振腔第36页/共42页第三十六页，共42页。第37页/共42页第三十七页，共42页。 1）以同步加速器放射的短波长（1nm）X射线作为曝光光

12、源，在厚度达0.5mm的光致抗蚀剂上生成曝光图形的三维实体(sht)； 2）用曝光蚀刻图形实体(sht)作电铸模具，生成铸型； 3）以生成的铸型作为模具，加工出所需微型零件。X射线曝光腐蚀溶解抗蚀剂电铸铸型注射成形零件 LIGA制作零件过程 L I G A 由 深 层 同 步(tngb)X射线光刻、电铸成形、塑注成形组合而成。包括三个主要工序：第38页/共42页第三十八页，共42页。LIGA工作现场第39页/共42页第三十九页，共42页。 50 m X射线刻蚀的三维实体第40页/共42页第四十页，共42页。第41页/共42页第四十一页，共42页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)！第42页/共42页第四十二页，共42页。