[精选]MEMS工艺(4体硅微加工技术)梁庭(2).pptx
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1、湿 法 腐 蚀 的 缺 点：图 形 受 晶 向 限 制，深 宽 比 较 差，倾斜侧壁，小结构粘附。四、干法腐蚀 狭义的干法刻蚀主要是指利用等离子体放电产生的化学过程对材料外表的加工 广义上的干法刻蚀则还包括除等离子体刻蚀外的其它物理和化学加工方法，例如激光加工、火花放电加工、化学蒸汽加工以及喷粉加工等。干法刻蚀的优点：具有分辨率高、各向异性腐蚀能力强、腐蚀的选择比大、能进行自动化操作等 干法刻蚀的过程：腐蚀性气体离子的产生 离子向衬底的传输 吸附及反响 衬底外表的腐蚀 钝化及去除 腐蚀反响物的排除 干法腐蚀的主要形式：*纯化学过程：等离子体腐蚀*纯物理过程：离子刻蚀、离子束腐蚀*物理化学过程：
2、反响离子腐蚀RIE，感应耦合等离子体刻蚀ICP.在物理腐蚀方法中，利用放电时所产生的高能惰性气体离子对材料进行轰击，腐蚀速率与轰击粒子的能量、通量密度以及入射角有关；在化学腐蚀中，惰性气体如四氟化碳在高频或直流电场中受到激发并分解如形成氟离子，然后与被腐蚀材料起反响形成挥发性物质；在物理化学结合的方法中，既有粒子与被腐蚀材料的碰撞，又有惰性气体与被腐蚀材料的反响。反响离子刻蚀 反响离子刻蚀Reactive ion etch 是在等离子中发生的。随着材料表层的“反响剥离排放周期循环，材料被逐层刻蚀到制定深度。衡量反响离子刻蚀的指标：掩模的刻蚀比 刻蚀的各向异性程度 其它：刻蚀速率、刻蚀均匀性等等
3、离子腐蚀利用气体辉光放电电离和分解稳定的原子所形成的离子和活性物质，与被腐蚀的固体材料作用，产生挥发性的物质或气态产品。刻蚀过程主要是化学反响刻蚀，是各向同性的，主要作为外表干法清洗工艺。离子轰击的作用：1.将被刻蚀材料外表的原子键破坏；2.将再淀积于被刻蚀外表的产物或聚合物打掉DRIE、ICP 刻蚀工艺1.现象1各向同性腐蚀2各向异性腐蚀3溅射腐蚀等离子体腐蚀的主要现象和特点 1速率高 2环境清洁，工艺兼容性好。3掩膜选择性好 30：14外表光洁度好，应力集中少5无晶向限制主要特点1好的截面形状，易于满足铸模要求。2高的腐蚀速率，适于体硅要求。3 利 用 各 向 同 性 腐 蚀，满 足 牺
4、牲 层 腐 蚀 要求。4可用于活动结构制作。5可用于高深宽比结构制作。适应性反响离子深刻蚀 改善刻蚀的方向性，即各向异性，一直是反响离子刻蚀技术开展过程中不懈追求的目标。完全化学刻蚀是各向同性的，完全的物理刻蚀虽然有很好的方向性，但有很差的选择性，即掩模本身经受不了长时间的刻蚀。电感耦合等离子体ICP，Bosch 工艺 反响离子深刻蚀的要求：需要较高的刻蚀速率，否则刻穿500um 厚的硅片需要太长的时间；需要极好的各向异性，即刻蚀的边壁垂直。除了离子物理溅射之外，反响离子刻蚀从本质上是各向同性，为了阻止或减弱侧向刻蚀，只有设法在刻蚀的侧向边壁沉积一层抗刻蚀的膜。Bosch 工艺和Cryogen
5、ic 工艺 所谓Bosch 工艺就是在反响离子刻蚀的过程中，不断在边壁上沉积抗刻蚀层或边壁钝化 八氟环丁烷离化后在底面和侧壁形成聚合物钝化层。通入刻蚀气体SF6刻蚀掉底部钝化层，并进一步刻蚀硅。新暴露的侧壁被新的钝化层覆盖。离子溅射刻蚀 离子溅射刻蚀是纯粹的物理刻蚀过程，氩气是最通用的离子源气体。反响气体刻蚀 利用二氟化氙XeF2在气态可以直接与硅反响生成挥发性SiF4产物的性质，可以对硅外表进行各向同性刻蚀。参数 干法腐蚀 湿法腐蚀方向性 对大多数材料好仅对单晶材料深宽比高达100生产自动化程度 好 差环境影响 低 高掩模层粘附特性 不是关键因素 非常关键选择性 相对差 非常好待腐蚀材料 仅
6、特定材料 所有工艺规模扩大 困难 容易清洁度 有条件地清洁 好到非常好临界尺寸控制非常好0.1m 差装置成本 昂贵 较昂贵典型的腐蚀率慢0.1m/min 到快6m/min 快1m/min 以上操作参数 多 很少腐蚀速率控制 在缓慢腐蚀时好 困难干法刻蚀与湿法腐蚀比照其它物理刻蚀技术 激光微加工技术 飞秒激光对材料外表的辐照时间如此之短，激光的能量没有时间转化为热量扩散到相邻区域；激光微加工是一种快速成型技术，不需要曝光、显影、刻蚀的中间步骤，不受材料形状与大小的限制；喷墨打印头上的孔 激 激光 光是 是一 一种 种受 受激 激辐 辐射 射而 而得 得到的加强光。其基本特征：到的加强光。其基本特
7、征：强度高，亮度大 强度高，亮度大 波长频率确定，单色性好 波长频率确定，单色性好 相干性好，相干长度长 相干性好，相干长度长 方 方向 向性 性好 好，几 几乎 乎是 是一 一束 束平 平行光 行光 q 工作原理激光加工激光加工 当 当激 激光 光束 束照 照射 射到 到工 工件 件表 表面 面时 时，光 光能 能被 被吸 吸收 收，转 转化 化成 成热 热能 能，使 使照 照射 射斑 斑点 点处 处温 温度 度迅 迅速 速升 升高 高、熔 熔化 化、气 气化 化而 而形 形成 成小 小坑 坑，由 由于 于热 热扩 扩散 散，使 使斑 斑点 点周 周围 围金 金属 属熔 熔化 化，小 小坑
8、坑内 内金 金属 属蒸 蒸气 气迅 迅速 速膨 膨胀 胀，产 产生 生微 微型 型爆 爆炸 炸，将 将熔 熔融 融物 物高 高速 速喷 喷出 出并 并产 产生 生一 一个 个方 方向 向性 性很 很强 强的 的反冲击波，于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。反冲击波，于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。激光器 激光器工件 工件工作台 工作台 激光加工原理图 激光加工原理图光阑 光阑 反射镜 反射镜聚焦镜 聚焦镜电源Real 固体激光器 固体激光器 YAG YAG 结晶母材由钇、铝和石榴石构成激光器 结晶母材由钇、铝和石榴石构成激光器 红宝石激光器 红宝石激光器 混合气体：氦约80%，氮约
9、15%，CO2 约5%通过高压直流放电进行鼓励 波长 10.6m，为不可见光 能量效率5%15%反射凹镜反射平镜电极 放电管CO2气体冷却水进口冷却水出口激光高压直流电源CO2激光器示意图 气体激光器 气体激光器CO CO2 2激光器 激光器q 激光器 加 加工 工材 材料 料范 范围 围广 广，适 适用 用于 于加 加工 工各 各种 种金 金属 属材 材料 料和 和非 非金 金属 属材 材料 料，特 特别 别适 适用 用于 于加 加工 工高 高熔 熔点 点材 材料 料，耐 耐热 热合 合金 金及 及陶 陶瓷 瓷、宝 宝石 石、石 石等硬脆材料。等硬脆材料。加 加工 工性 性能 能好 好，工
10、工件 件可 可离 离开 开加 加工 工机 机进 进行 行加 加工 工，可 可透 透过 过透 透明 明材 材料加工，可在其他加工方法不易到达的狭小空间进行加工。料加工，可在其他加工方法不易到达的狭小空间进行加工。非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。可 可进 进行 行微 微细 细加 加工 工。激 激光 光聚 聚焦 焦后 后焦 焦点 点直 直径 径理 理论 论上 上可 可小 小至 至1 1以 以下，实际上可实现 下，实际上可实现0.01mm 0.01mm的小孔加工和窄缝切割。的小孔加工和窄缝切割。加工速度快，效率高。加工速度快，效率高。激 激光 光加 加工
11、 工不 不仅 仅可 可以 以进 进行 行打 打孔 孔和 和切 切割 割，也 也可 可进 进行 行焊 焊接 接、热 热处 处理等工作。理等工作。激光加工可控性好，易于实现自动控制。加工设备昂贵。激光加工可控性好，易于实现自动控制。加工设备昂贵。q 激光加工特点 激光打孔 激光打孔 广泛应用于 广泛应用于 石拉丝模、钟表 石拉丝模、钟表宝石轴承、陶瓷、玻璃等非金属材 宝石轴承、陶瓷、玻璃等非金属材料，和硬质合金、不锈钢等金属材 料，和硬质合金、不锈钢等金属材料的小孔加工。料的小孔加工。激光打孔具有高效率、低成本 激光打孔具有高效率、低成本的特点，特别适合微小群孔加工。的特点，特别适合微小群孔加工。
12、焦点位置对孔的质量影响：假 焦点位置对孔的质量影响：假设焦点与加工外表之间距离很大，设焦点与加工外表之间距离很大，则激光能量密度显著减小，不能进 则激光能量密度显著减小，不能进行加工。如果焦点位置偏离加工外 行加工。如果焦点位置偏离加工外表 表1mm 1mm，可以进行加工，此时加工，可以进行加工，此时加工出孔的断面形状随焦点位置不同而 出孔的断面形状随焦点位置不同而发生变化。发生变化。q 激光加工应用焦点位置对孔形状影响 激光热处理 激光热处理 原 原理 理：照 照射 射到 到金 金属 属外 外表 表上 上的 的激 激光 光使 使外 外表 表原 原子 子迅 迅速 速蒸 蒸发 发，由此产生微冲击
13、波会导致大量晶格缺陷形成，到达硬化。由此产生微冲击波会导致大量晶格缺陷形成，到达硬化。优 优点 点：快 快速 速、不 不需 需淬 淬火 火介 介质 质、硬 硬化 化均 均匀 匀、变 变形 形小 小、硬 硬化 化深度可精确控制。深度可精确控制。激光焊接 激光焊接 与 与打 打孔 孔相 相比 比，激 激光 光焊 焊接 接所 所需 需能 能量 量密 密度 度较 较低 低，因 因不 不需 需将 将材 材料气化蚀除，而只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起。料气化蚀除，而只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起。优 优点 点：没 没有 有焊 焊渣 渣，不 不需 需去 去除 除工 工件 件氧 氧化 化膜 膜，可
14、 可实 实现 现不 不同 同材 材料之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。料之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。激光切割 激光切割 激 激光 光切 切割 割具 具有 有切 切缝 缝窄 窄、速 速度 度快 快、热 热影 影响 响区 区小 小、省 省材 材料 料、成本低等优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。成本低等优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。可 可以 以切 切割 割钢 钢板 板、不 不锈 锈钢 钢、钛 钛、钽 钽、镍 镍等 等金 金属 属材 材料 料，以 以及 及布匹、木材、纸张、塑料等非金属材料。布匹、木材、纸张、塑料等非金属材料。图7-74 激光焊接车身图7-73 激
15、光切割 电火花加工 利用两个电极间的火花放电产生的高热使火花放电区的材料熔化；对材料的要求是导电 特点：可加工导体或半导体超硬材料 非接触加工 可制作高深宽比结构q 工作原理：利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电，产生瞬时高温，工件材料被熔化和气化。同时，该处绝缘液体也被局部加热，急速气化，体积发生膨胀，随之产生很高的压力。在这种高压作用下，已经熔化、气化的材料就从工件的外表迅速被除去。4个阶段：1介质电离、击穿，形成放电通道；2火花放电产生熔化、气化、热膨胀；3抛出蚀除物；4间隙介质消电离恢复绝缘状态。电火花加工电火花加工电火花加工原理图进给系统放电间隙 工具电极工件电极直流脉冲电源工作
16、液Real电火花加工机床 电 电极 极材 材料 料 要 要求 求导 导电 电，损 损耗 耗小 小，易 易加 加工 工；常 常用 用材 材料 料：紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等，其中石墨最常用。紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等，其中石墨最常用。工 工作 作液 液 主 主要 要功 功能 能压 压缩 缩放 放电 电通 通道 道区 区域 域，提 提高 高放 放电 电能 能量 量密 密度 度，加 加速 速蚀 蚀物 物排 排出 出；常 常用 用工 工作 作液 液有 有煤 煤油 油、机 机油 油、去 去离 离子 子水、乳化液等。水、乳化液等。放 放电 电间 间隙 隙 合 合理 理的 的间 间隙 隙是 是保 保证
17、证火 火花 花放 放电 电的 的必 必要 要条 条件 件。为 为保 保持 持适 适当 当的 的放 放电 电间 间隙 隙，在 在加 加工 工过 过程 程中 中，需 需采 采用 用自 自动 动调 调节 节器控制机床进给系统，并带开工具电极缓慢向工件进给。器控制机床进给系统，并带开工具电极缓慢向工件进给。q 工作要素 脉 脉冲 冲宽 宽度 度与 与间 间隔 隔 影 影响 响加 加工 工速 速度 度、外 外表 表粗 粗糙 糙度 度、电 电极 极消 消耗 耗和 和外 外表 表组 组织 织等 等。脉 脉冲 冲频 频率 率高 高、持 持续 续时 时间 间短 短，则 则每 每个 个脉 脉冲去除金属量少，外表粗
18、糙度值小，但加工速度低。冲去除金属量少，外表粗糙度值小，但加工速度低。通 通常 常放 放电 电持 持续 续时 时间 间在 在2s 2s至 至2ms 2ms范 范围 围内 内，各 各个 个脉 脉冲 冲的 的能 能量 量2mJ 2mJ到 到20J 20J电流为 电流为400A 400A时之间。时之间。电 电火 火花 花线 线切 切割 割加 加工 工：用 用连 连续 续移 移动 动的 的钼 钼丝 丝 或 或铜 铜丝 丝 作 作工 工具 具阴 阴极 极，工 工件 件为 为阳 阳极 极。机 机床 床工 工作 作台 台带 带开 开工 工件 件在 在水 水平 平面 面内 内作 作两 两个 个方 方向 向移
19、移动 动，可 可切 切割 割出 出二 二维 维图 图形 形。同 同时 时，丝 丝架 架可 可作 作小 小角 角度 度摆 摆动 动，可 可切 切割 割出斜面。出斜面。q 电火花加工类型电火花线切割原理图XY储丝筒导轮电极丝工件 电火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等 电火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等电火花线切割机床电火花线切割加工加工过程显示 不 不受 受加 加工 工材 材料 料硬 硬度 度限 限制 制，可 可加 加工 工任 任何 何硬 硬、脆 脆、韧 韧、软 软的 的导电材料。导电材料。加 加工 工时 时无 无显 显著 著切 切削 削力 力，发 发热 热小 小，适 适于 于加 加工
20、工小 小孔 孔、薄 薄壁 壁、窄槽、形面、型腔及曲线孔等，且加工质量较好。窄槽、形面、型腔及曲线孔等，且加工质量较好。脉冲参数调整方便，可一次装夹完成粗、精加工。脉冲参数调整方便，可一次装夹完成粗、精加工。易于实现数控加工。易于实现数控加工。q 电火花加工特点q 电火花加工应用 电 电火 火花 花成 成形 形加 加工 工：电 电火 火花 花打 打孔 孔常 常用 用于 于加 加工 工冷 冷冲 冲模 模、拉 拉丝 丝模 模、喷 喷嘴 嘴、喷 喷丝 丝孔 孔等 等。型 型腔 腔加 加工 工包 包括 括锻 锻模 模、压 压铸 铸模 模、挤 挤压 压模、塑料模等型腔加工，以及叶轮、叶片等曲面加工。模、塑
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