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微型機械的制作工藝有哪些?

在當前的機械制造技術中,微機械制造工藝屬於精度極高的生產體系,其生產精度能夠達到微米級別。

該技術最早就是從矽基電路生產技術所中所脫離出來的,該技術的應用對於某些行業的制造發展來說,起到了至關重要的作用。

下文主要針對微機械制造工藝以及應用進行了全面詳細的探討。

壹、微機械制造工藝及應用

1.微機械蝕刻技術

微機械生產技術在集成電路生產的使用過程中,相應的加工工藝實際上只需要對於深度在10微米左右的矽片表面加以考慮,但是在對於微機械結構元件進行加工的過程中,必須要完全穿越整個矽片的厚度進行三維式的加工。

同時,依據所使用的蝕刻劑不同,所使用的蝕刻方式也分為濕法蝕刻、幹法蝕刻。

在幹法蝕刻的過程中,主要是采取各向同性的蝕刻方式,在有需要的情況下,也可以各向異性蝕刻;而濕法蝕刻,實際上就是在蝕刻劑為液體的情況下稱之為濕法蝕刻。

在執行各向異性蝕刻工作的過程中,由於單晶矽的原子結構的復雜原因,導致晶面所呈現出的腐蝕速率有著較大的差異性,而在對於晶面的矽襯底采取各項異性腐蝕措施時,會直接沿著晶面停蝕,而面與面之間將會形成壹個54.75°的夾角。

而在對於這類型的蝕刻速度以及結晶面所存在的關系加以利用之後,能夠促使矽襯底得以加工出多種不同形式的結構。

2.矽表面微機械制造工藝

矽表面微機械制造工藝是微機械器件完全制作在晶片表面而不穿透晶片表面的壹種加工技術。

壹般來講,微機械結構常用薄膜材料層來制作,常用的薄膜層材料有:多晶矽、氮化矽、氧化矽、磷矽酸鹽玻璃(PSG)、硼矽酸玻璃(BPSG)和金屬。

為了制造復雜的微結構,這種薄膜層采用PVD或CVD方法在矽片上沈積,並利用光刻工藝和化學或物理腐蝕工藝來進行結構制造。

在這裏,犧牲層起了非常重要的作用。

犧牲層的作用就是在連續加工形成結構層的過程中使結構層與襯底隔開。

犧牲層厚度壹般為1壹2μm,但也可以更厚些。

沈積後,犧牲層被腐蝕成所需形狀。

利用表面微機械制造工藝,可以制造懸式結構,如微型懸臂梁、懸臂、微型橋和微型腔等。

3.LIGA工藝

LIGA工藝本身是屬於壹種通過X光射線進行三維微結構加工的微機械技術,在這壹技術之中,實際上包含了X光深度同步輻射光蝕刻、電鑄成型、註塑成型這三個主要的工藝步驟。

而LIGA技術本身實際上就是對於平面IC工藝中所涉及到光刻技術加以借鑒,但是相較而言,LIGA技術對於材料加工過程中所呈現出的深寬要遠遠大於標準IC生產技術中的薄膜亞微米光刻技術參數。

同時,所能夠加工的厚度,也要高於平面工藝典型值2μm的標準;此外,LIGA工藝還可以有效的針對非矽材料執行三維微細加工工作,並且其中所能夠使用的材料也更加的廣泛。

LIGA技術在微機械加工體系中的應用,有效的推動了MEMS技術本身得以在生產行業中迅速的推廣和發展。

4.準LIGA技術

LIGA技術在實際使用的過程中,所呈現出的成本需求較高,並且其中的工藝技術也極為復雜。

為了能夠最大限度的避免使用同步輻射光所產生的昂貴成本,可以使用近似的紫外線作為代替性的光源。

而這也就是壹種類似於LIGA技術的微機械工藝,被稱作是LIGA技術,同樣能夠呈現出深寬比較大大三維微結構加工。

具體加工工藝應用如下:

l)在矽襯底位置上,通過濺射的方式,使得其表面能夠形成壹層厚度大約在230nm的鎢化欽薄膜。

而使用該材料的主要原因是由於,鎢化欽所呈現出的附著性極為優秀,並且還能夠當做是光刻過程中起到隔離效果的阻擋層。

而在經過了相應的清洗處理之後,還可以再次鍍上壹層厚度大約在200nm左右的金,這壹層材料主要作為預鍍層使用。

2)接著,多次利用旋塗方法,得到約30μm的正性抗蝕層。

3)掩模與抗蝕層密切接觸曝光,可得到陡峭的輪廓。

4)光源壹般用高壓汞燈。

曝光後在堿性顯影液中顯影,水洗並小合烘幹,可得到深寬比大於7的微結構。

5)對光刻後的微結構進行電鍍,可得到三維金屬微結構,可用濕式蝕刻法或反應性離子蝕刻除去預鍍層的金和鎢化欽。

5.傳統制造工藝

l)超精密機械制造工藝

超精密機械制造是用硬度高於工件的工具,對工件材料進行切削加工。

目前所用的工具有車刀、鉆頭、銑刀等,如采用鉆石刀具微切削技術可加工直徑Φ25μm的軸,表面粗糙度值很低;采用微鉆頭可以加工直徑為Φ2.5μm的孔;采用微細磨料加工可提高加工精度和工件表面的質量,加工單位可達0.01μm,表面粗糙度Rao0.005μm。

采用金屬絲放電磨削加工可加工出外徑Φ0.1mm的註射針頭和口徑Φ0.6mm的微細噴嘴。

2)特種加工工藝

(l)激光束加工。

激光發生器將高能量密度的激光進壹步聚焦後照射到工件表面。

光能被吸收瞬時轉化為熱能。

根據能量密度的高低,可以實現打小孔、微孔、精密切削、加工精微防偽標記、激光微調、動平衡、打字、焊接和表面熱處理。

(2)用隧道顯微鏡進行微細加工。

該加工方法是將掃描隧道顯微鏡技術用於分子級加工,其原理是基於量子力學中的隧道效應。

采用尖端極細(直徑為納米級)的金屬探針作為電極,在真空中用壓電陶瓷等微位移機構控制針尖和工件表面保持1~10μm的距離,並在探針和工件間加上較低的電壓,則在針尖和工件微觀表面間,本來是絕緣的勢壘,由於量子力學中粒子的波動和電場的畸變,就會產生近場穿透的“隧道”電流,同時使探針相對於工件樣品表面作微位移掃描,就可以觀察物質表面單個原子或分子的排列狀態和電子在表面的行為,獲得單個原子在表面排列的信息。

(3)微細電火花加工。

微細電火花加工是在絕緣的工作液中通過工具電極和工件間脈沖火花放電產生的瞬時、局部高溫來溶化和汽化蝕除金屬,加工過程中工具與工件間沒有宏觀的切削力,只要控制精微的單個脈沖放電能量,配合精密微量進給就可以實現極微細的金屬材料的去除加工,可加工微細的軸、孔、窄縫、平面、空間曲面等。

二、結語

綜上所述,在經過了數十年的發展之後,微機械技術已經從以往單壹的三維加工拓展,朝著系統集成的方向發展,從基礎性的探索,開始進行實用化的研究。

而在未來的微機械生產技術價值研究上所涉及到的重點環節,就在於微機構三維立體敬愛工、微機械集成、微機械封裝技術等。

總之,微機械技術的應用,對於我國高新技術產業的發展來說,起到了至關重要的推動作用。

參考文獻

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