微细与超微细加工技术学习教案.pptx

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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。主主要要采采用用铣铣、钻钻和和车车三三种种形形式式，可可加加工工平平面面、内内腔、孔和外圆表面。腔、孔和外圆表面。刀刀具具：多多用用单单晶晶金金刚刚石石车车刀刀、铣铣刀刀。铣铣刀刀的的回回转转半半径径（可可小小到到5m5m）靠靠刀刀尖尖相相对对于于回回转转轴轴线线的的偏偏移移来来得得到到。当当刀刀具具回回转转时时，刀刀 具具 的的 切切 削削 刃刃 形形 成成(xngchng)(xngchng)一一个个圆圆锥锥形形的的切削面。切削面。单晶金刚石

3、铣刀刀头形状二、微细二、微细二、微细二、微细(wix)(wix)(wix)(wix)机械加工机械加工机械加工机械加工第3页/共42页第三页，共42页。微小位移机构微小位移机构 ，微量移动应可小至几十个纳米，微量移动应可小至几十个纳米 。高高灵灵敏敏的的伺伺服服进进给给系系统统。要要求求低低摩摩擦擦的的传传动动系系统统和和导导轨轨支支承承系系统统，以及高跟踪精度的伺服系统。以及高跟踪精度的伺服系统。高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。低热变形结构设计。低热变形结构设计。刀具的稳固夹持和高的安装精度。刀具的稳固夹持和高的安装精度。高的主轴

4、高的主轴(zhzhu)(zhzhu)转速及动平衡。转速及动平衡。稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。具有刀具破损检测的监控系统。具有刀具破损检测的监控系统。微细微细(wix)(wix)机械加机械加工设备工设备 FANUC ROBO nano Ui FANUC ROBO nano Ui 型微型超精密型微型超精密(jngm)(jngm)加工机床加工机床第4页/共42页第四页，共42页。机机床床有有X X、Z Z、C C、B B四四个个轴轴，在在B B 轴轴回回转转工工作作台台上上增增加加A A轴轴转转台台后后，可可实实现现5 5轴轴控控制制，数数控控系系统统的的

5、最最小小设设定定单单位位为为1nm1nm。可可进进行行(jnxng)(jnxng)车车、铣铣、磨磨和和电火花加工。电火花加工。旋旋转转轴轴采采用用编编码码器器半半闭闭环环控控制制，直直线线轴轴则则采采用用激激光光全全息息式式全全闭环控制。闭环控制。为为了了降降低低伺伺服服系系统统的的摩摩擦擦，导导轨轨、丝丝杠杠螺螺母母副副以以及及伺伺服服电电机机转转子子的的推推力力轴轴承承和和径径向向轴轴承承均均采采用用气气体体静静压结构。压结构。FANUC 微型超精密加工机床第5页/共42页第五页，共42页。载流导体：载流导体：逆逆压压电电材材料料（如如压压电电陶陶瓷瓷PZTPZT）电电场场作作用用引引起起

6、晶晶体内正负电荷重心位移（极化位移），导致晶体发生形变。体内正负电荷重心位移（极化位移），导致晶体发生形变。磁磁致致伸伸缩缩材材料料（如如某某些些强强磁磁材材料料）磁磁场场(cchng)(cchng)作用引起晶体发生应变。作用引起晶体发生应变。直接线性驱动（直线直接线性驱动（直线(zhxin)(zhxin)电机驱动）电机驱动）工作原理：载流导体在电场（或磁场）作用下产生微小工作原理：载流导体在电场（或磁场）作用下产生微小形变，并转化为微位移。形变，并转化为微位移。特点：特点：结构简单，运行可靠，传动效率高。结构简单，运行可靠，传动效率高。进给量可调，进给速度范围宽，加速度大。进给量可调，进给速

7、度范围宽，加速度大。行程不受限制。行程不受限制。运动精度高。运动精度高。技术复杂。技术复杂。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

8、动直线驱动(q dn)(q dn)与伺服电机驱动与伺服电机驱动(q dn)(q dn)比较比较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。线放电线放电(fng din)(fng din)磨削法磨削法

9、（WEDGWEDG）WEDG 可加工的各种截形杆WEDG工作原理工件金属丝导丝器三、微细三、微细三、微细三、微细(wix)(wix)(wix)(wix)电加工电加工电加工电加工 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 光刻加工光刻加工(ji gng)(ji gng)（电子束光刻大规模集成电路）（电子束光刻大规模集成电路）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

10、精度 0.1m，重复定位精度 0.01m导轨：硬质合金滚动体导轨，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 加工设备加工设备(shbi)(shbi)（电子束光刻大规模集成电路）（电子束光刻大规模集成电路）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(gng

11、jin)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离子格点置换离子位移原子工件表面工件真空四、离子束加工四、离子束加工四、离子束加工四、离子束加工(ji(ji(ji(ji gng)gng)gng)gng)第13页/共42页第十三页，共42页。将将 被被 加加 速速 的的 离离 子子(lz)(lz)聚聚焦焦成成细细束束，射射到到被被加加工工表表面面上上。被被加加工工表表面面受受“轰轰击击”后后，打打出出原原子子或或分分子子，实实现现分子级去除加工。分子级去除加工。离子束溅射离子束溅射(jin sh)(j

12、in sh)去除加工去除加工 四种工作四种工作(gngzu)(gngzu)方式方式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。离离子子束束溅溅射射去去除除加加工工(ji(ji gng)gng)可可用用于于非非球球面面透透镜镜成成形形（需需要要5 5坐坐标标运运动动），金金刚刚石石刀刀具具和和冲冲头头的的刃刃磨磨，大大规规模模集集成成电电路路芯芯片片刻蚀等。刻蚀等。离子束加工金刚石制品离子束离子束r=

13、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)金刚石刀具离子束溅射去除加工离子束溅射去除加工(ji gng)(ji gng)可加工可加工(ji gng)(ji gng)金属和非金属材料。金属和非金属材料。第15页/共42页第十五页，共42页。离子束溅射离子束溅射(jin sh)(jin sh)镀膜加工镀膜加工用加速的离子从靶材上打出用加速的离子从靶材上打出原子原子(yunz)(yunz)或分子，并将这或分子，并将这些原子些原子(yunz)(yunz)或分子附着到或分子附着到工件上，形成工件上，形成“镀膜镀膜”。又被称。又被称为为“干式镀干式镀”离子束源靶溅射材料

14、溅射粒子工件真空离子束溅射镀膜加工离子镀氮化钛，即美观，又耐磨离子镀氮化钛，即美观，又耐磨(nai m)(nai m)。应用在刀具上。应用在刀具上可提高寿命可提高寿命1-21-2倍。倍。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。用用高高能能离离子子（数数十十万万KeVKeV）轰轰击击工工件件表表面面，离离子子打打入入工工件件表表层层，其其电电荷荷被被中中和和，并并留留在在工工件件中中（置置换换原原子子或或填填隙隙原原子子），从从而而改改变变工工件材料和性质。件材料和性质。可可用用于于半半导

15、导体体掺掺杂杂（在在单单晶晶硅硅内内注注入入磷磷或或硼硼等等杂杂质质，用用于于晶晶体体管管、集集成成电电路路、太太阳阳能能电电池池制制作作），金金属属材材料料改改性性（提提高高刀刀具具(doj)(doj)刃刃口口硬度）等方面。硬度）等方面。离子束溅射注入离子束溅射注入(zh r)(zh r)加工加工 离子束曝光离子束曝光(bo gung)(bo gung)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。通通通通常常常常(tngchng)(tngchng)指指指指纳纳纳纳米米米米级级级级（0.1nm0.1nm100nm100nm）的的的的材材材

16、材料料料料、设设设设计计计计、制制制制造造造造、测测测测量量量量和和和和控控控控制制制制技技技技术术术术。纳纳纳纳米米米米技技技技术术术术涉涉涉涉及及及及机机机机械械械械、电电电电子子子子、材材材材料料料料、物物物物理、化学、生物、医学等多个领域。理、化学、生物、医学等多个领域。理、化学、生物、医学等多个领域。理、化学、生物、医学等多个领域。在在在在达达达达到到到到纳纳纳纳米米米米层层层层次次次次后后后后，决决决决非非非非几几几几何何何何上上上上的的的的“相相相相似似似似缩缩缩缩小小小小”，而而而而出出出出现现现现一一一一系系系系列列列列新新新新现现现现象象象象和和和和规规规规律律律律。量量量

17、量子子子子效效效效应应应应、波波波波动动动动特特特特性性性性、微微微微观观观观涨涨涨涨落落落落等等等等不不不不可可可可忽忽忽忽略略略略，甚至成为主导因素。甚至成为主导因素。甚至成为主导因素。甚至成为主导因素。纳米技术研究纳米技术研究纳米技术研究纳米技术研究(ynji)(ynji)的主要内容的主要内容的主要内容的主要内容纳纳米米级级精精度度和和表表面面形形貌貌测测量量及及表表面面层层物物理理、化化学学性性能能检检测；测；纳米级加工；纳米级加工；纳米材料；纳米材料；纳米级传感与控制技术；纳米级传感与控制技术；微型微型(wixng)(wixng)与超微型与超微型(wixng)(wixng)机械。机械

18、。五、纳米技术五、纳米技术五、纳米技术五、纳米技术第18页/共42页第十八页，共42页。q 扫描隧道(sudo)显微测量（STM）扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜19811981年年由由在在IBMIBM瑞瑞士士苏苏黎黎世世实实验验室室工工作作的的G.Binning G.Binning 和和 H.Rohrer H.Rohrer 发发明明，可可用用于于观观察察物物体体 级级的的表表面面形形貌貌。被被列列为为2020世世纪纪8080年年度度世世界界十十大大科科技技成成果果之之一一，19861986年因此获诺贝尔物理学奖。年因此获诺贝尔物理学奖。STMSTM工工作作原原理理基基于于量量子子力力学学的的隧隧

19、道道效效应应。当当两两电电极极之之间间距距离离缩缩小小到到1nm1nm时时，由由于于粒粒子子波波动动性性，电电流流(dinli)(dinli)会会在在外外加加电电场场作作用用下下，穿穿过过绝绝缘缘势势垒垒，从从一一个个电电极极流流向向另另一一个个电电极极。当当一一个个电电极极为为非非常常尖尖锐锐的的探探针针时时，由由于于尖尖端端放放电电使使隧隧道道电电流流(dinli)(dinli)加大。加大。G.Binning H.RohrerG.Binning H.Rohrer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

20、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。当当探探针针与与试试件件表表面面距距离离(jl)(jl)达达1nm1nm时时，形形成成隧隧道道结结。当当偏偏压压UbUb小小于于势势垒垒高高度度 时时，隧隧道道电电流流密密度为：度为：式中 h 普郎克常数；e 电 子 电 量(dinling)；ka，k0 系数。由由上上式式可可见见(kjin)(kjin)，探探针针与与试试件件表表面面距距离离 d d 对对隧隧道道电电流密度非常敏感，这正是流密度非常敏感，这

21、正是STMSTM的基础。的基础。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。两种测量两种测量(cling)(cling)模式模式（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

22、，从而得到试件表面形貌信息。第23页/共42页第二十三页，共42页。关键技术：关键技术：（1 1）STMSTM探探针针金金属属丝丝经经化化学学腐腐蚀蚀，在在腐腐蚀蚀断断裂裂瞬瞬间间切切断断电电流流，获获得得尖尖峰峰(jin(jin fn)fn)，曲率半径为曲率半径为10nm10nm左右。左右。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

23、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。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）当当两两原原子子间间距距离离缩缩小小到到 级级时时，原原子子间间作作用用力力显显示示出出来来，造造成成两两原原子子势势垒垒高高度度降降低低，两两者者之之间间产产生生吸吸引引力力。而而当当两两原原子子间间距距离

24、离继继续续缩缩小小至至原原子子直直径径时时，由由于于原原子子间间电电子子云云的的不不相相容性，两者之间又产生排斥力。容性，两者之间又产生排斥力。AFM AFM两种测量模式：两种测量模式：接接触触式式探探针针针针尖尖与与试试件件表表面面距距离离0.5nm0.5nm，利利用用原原子子间间的的排排斥斥力力。由由于于分分辨辨率率高高，目目前前采采用用较较多多。其其工工作作原原理理是是：保保持持探探针针与与被被测测表表面面间间的的原原子子排排斥斥力力一一定定，探探针针扫扫描描时时的的垂垂直直位位移移(wiy)(wiy)即即反反映映被被测测表表面面形貌。形貌。非非接接触触式式探探针针针针尖尖与与试试件件表

25、表面面距距离离为为0.50.51nm1nm，利利用用原原子子间间的吸引力。的吸引力。为解决非导体微观表面形貌测量为解决非导体微观表面形貌测量(cling)(cling)，借鉴扫描隧道显微，借鉴扫描隧道显微镜原理，镜原理，C.Binning C.Binning 于于19861986年发明原子力显微镜。年发明原子力显微镜。第27页/共42页第二十七页，共42页。AFMAFM探探针针被被微微力力弹弹簧簧片片压压向向试试件件表表面面，原原子子排排斥斥力力将将探探针针微微微微抬抬起起。达达到到(d(d do)do)力力平平衡衡。AFMAFM探探针针扫扫描描时时，因因微微力力簧簧片片压压力力基基本本不不变

26、，探针随被测表面起伏。变，探针随被测表面起伏。AFM AFM结构结构(jigu)(jigu)STM驱动AFM扫描驱动AFM探针STM探针试件微力簧片AFM结构简图在簧片上方安装在簧片上方安装STMSTM探针，探针，STM STM探针与簧片间产生隧道电流，若控探针与簧片间产生隧道电流，若控制电流不变，则制电流不变，则STMSTM探针与探针与AFMAFM探探针（微力簧片）同步位移，于是可针（微力簧片）同步位移，于是可测出试件表面测出试件表面(biomin)(biomin)微观形貌。微观形貌。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

27、，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

28、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。LIGALIGA（Lithographic Galuanoformung Abformung Lithographic Galuanoformung Abformung）1）以同步加速器放射的短波长（1nm）X射线作为曝光光源，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

29、解抗蚀剂电铸铸型注射成形零件 LIGA制作零件过程 LIGA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 LIGA LIGA特点特点(tdin)(tdin)用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等可可以以制制作作(zhzu)(zhzu)高高度度达达0.10.10.5mm0.5mm，高高宽宽比比大大于于200200的的三三维维微微结构，形状精度达亚微米结构，形状精度达亚微米 LIGA LIGA代表代表(dibio)(dibio)产品及产品及应用应用微微传传感感器器、微微电电机机、微微机机械械零零件件、微微光光学学元元件件、微微波波元元件件、真真空空电电子子元元件件、微型医疗器械等微型医疗器械等广广泛泛应应用用于于加加工工、测测量量、自自动动化化、电电子子、生生物物、医医学学、化化工等领域工等领域可以实现大批量复制，成本较低可以实现大批量复制，成本较低第40页/共42页第四十页，共42页。本节结束本节结束(jish)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。