【正文】 然趨勢(shì)。 體微機(jī)械加工技術(shù)體微機(jī)械加工技術(shù)是對(duì)硅的襯底進(jìn)行腐蝕加工的技術(shù)，即用腐蝕的方法將硅基片有選擇性地除去一部分，以形成微機(jī)械結(jié)構(gòu)。腐蝕分濕法腐蝕和干法腐蝕，濕法腐蝕又有各向同性和各向異性之分。各向同性腐蝕液多用HFHNO3系溶液，硅在所有的晶向以相等的速率進(jìn)行刻蝕．硅基體刻蝕形成的型腔棱是圓角，然而在微機(jī)械電子中．除了運(yùn)動(dòng)部件需要圓角獲得良好的疲勞強(qiáng)度外、一般不希望有圓角。因此，此法不適合制造復(fù)雜的立體微結(jié)構(gòu)，各向異性腐蝕液，主要有KOH和水的混合物；乙(撐)二胺、鄰苯二酚和水的混合液(簡(jiǎn)稱(chēng)EPW)；HF、HNO3和醋酸的混合液(簡(jiǎn)稱(chēng)HNA)。它們可以使硅在不同的晶面．以不同的速率進(jìn)行刻蝕．由于硅的(100)面和(111)面的腐蝕速率相差很大，其橫向尺寸非常容易控制。但腐蝕深度的控制難度大，靠通過(guò)腐蝕時(shí)間來(lái)控制深度的誤差很大。因此，刻蝕自停止技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)使用濃硼摻雜層或電化學(xué)刻蝕停止技術(shù)能使腐蝕自動(dòng)終止在特定層，可以精確控制腐蝕深度。各向同性和各向異性濕法腐蝕的特性及腐蝕速率對(duì)晶向的依賴(lài)關(guān)系。干法腐蝕利用等離子體取代化學(xué)腐蝕液，把基體暴露在電離的氣體中，氣體中的離子和基體原子間的物理和化學(xué)作用引起刻蝕，一些材料如鉑、二氧化錫等用濕法刻蝕很困難、而干法卻可以完成。該工藝可使微機(jī)械加工所得到的外形不受基片的晶向控制，而且不會(huì)給微結(jié)構(gòu)帶來(lái)大的應(yīng)力，但設(shè)備比較復(fù)雜，很多參數(shù)如氣體的性質(zhì)和流量、基片的性質(zhì)和面積、電極結(jié)構(gòu)、激勵(lì)的電磁參數(shù)和真空室的外形等必須控制，不同的組合會(huì)產(chǎn)生不同的腐蝕過(guò)程。CF4腐蝕硅的反應(yīng)離子刻蝕(RIE)原理。 等離子體由低壓氣體(～133Pa)的輝光放電獲得．基片放置在射頻極上，以便在基片和等離子體之間產(chǎn)生大的自偏電位差(幾百伏)。電位差使正離子從等離子體加速到基片上，垂直于基片的離子碰撞能直接產(chǎn)生腐蝕。使用SF6和C2F5Cl的混合氣體、能獲得較好的各向異性和較快的腐蝕速率。 就濕法和干法比較而言，濕法的腐蝕速率快、各向異性好、成本低，但控制腐蝕厚度困難。干法的腐蝕速度慢、成本較高，但能精確控制腐蝕深度。對(duì)要求精密，刻蝕深度淺的最好用干法刻蝕工藝，對(duì)要求各向異性大、腐蝕深度很深的則最好采用濕法腐蝕工藝。 表面微機(jī)械加工技術(shù)表面微機(jī)械加工技術(shù)是從集成電路平面工藝演變而成的，是在硅基上形成薄膜并按一定要求對(duì)薄膜進(jìn)行加工的技術(shù)薄膜形成一般采用常壓化學(xué)氣相淀積(CVD) ，低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積。薄膜的加工一般采用光刻技術(shù)、通過(guò)光刻將設(shè)計(jì)好的微機(jī)械結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移到硅片上，再用各種腐蝕工藝形成微結(jié)構(gòu)。在微機(jī)械加工中，有時(shí)要形成各種微腔結(jié)構(gòu)和微橋，通常采用犧牲層技術(shù)。表面微機(jī)械加工的關(guān)鍵步驟是有選擇性地將抗腐蝕薄膜下面的犧牲層腐蝕掉，從而得到一個(gè)空腔結(jié)構(gòu)．常用二氧化硅(SiO2)、磷硅玻璃(PSG)作為犧牲層材料。制作雙固定多晶硅橋的普通表面微機(jī)械加工工藝。首先是在硅基底上淀積犧牲層材料，如淀積磷硅玻璃，其作用是為形成結(jié)構(gòu)層的后續(xù)工藝提供臨時(shí)支撐。犧牲層的厚度一般1～2181。m，但也可以更厚些。淀積后，犧牲層材料被腐蝕成所需形狀．為了向結(jié)構(gòu)層提供固定點(diǎn)，可腐蝕出完全穿透犧牲層的窗口，以防止結(jié)構(gòu)層在分離結(jié)束時(shí)移位然后淀積和 腐蝕結(jié)構(gòu)材料薄膜層。多晶硅是常用的結(jié)構(gòu)層材料，結(jié)構(gòu)層腐蝕過(guò)后，除去犧牲層就可得到分離空腔結(jié)構(gòu)。 表面微機(jī)械加工技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是具有與常規(guī)集成電路的兼容性，器件不但可以做得很小，而且不影響器件特性；其缺點(diǎn)是該工藝本身屬于二維平面工藝，限制了設(shè)計(jì)的靈活性，且由于采用犧牲層工藝，漂洗和干燥需要反復(fù)多次，易產(chǎn)生粘連現(xiàn)象，降低成品率。 LIGA技術(shù)LIGA 是德文Lithographie, Galvanoforming, Abfovmung的縮寫(xiě)，是深層同步輻射X射線(xiàn)光刻、微電鑄、微塑鑄三種工藝的有機(jī)結(jié)合。它突破了傳統(tǒng)平面工藝的限制，是制造三維微器件的先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合犧牲層工藝，可以制造大高寬比的可活動(dòng)微結(jié)構(gòu)．與其他微加工技術(shù)相比，LIGA技術(shù)可以加工多種金屬材料，也可以加工陶瓷、玻璃、塑料等非金屬材料，加工深度可達(dá)數(shù)百微米，加工寬度可小至1181。m，LIGA的制造過(guò)程主要分四步：第一步，在絕緣基片(陶瓷或帶二氧化硅薄膜的硅片、上濺射金屬層(鉻、銀)作為電鑄工藝的基礎(chǔ)；第二步，在基片上濺射另一層鈦?zhàn)鳛闋奚鼘?；第三步，采用?biāo)準(zhǔn)LIGA工藝，X射線(xiàn)同步輻射制模，電鍍金屬(Ni)成型；第四步，在氫氟酸(HF)溶液中進(jìn)行選擇性刻蝕，分離出金屬結(jié)構(gòu)。 LIGA技術(shù)在制作很厚的微機(jī)械結(jié)構(gòu)方面有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，是一般常規(guī)的微電子工藝無(wú)法替代的，它極大地?cái)U(kuò)大了微結(jié)構(gòu)的加工能力，使得原來(lái)難以實(shí)現(xiàn)的微機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠制造出來(lái)。但缺點(diǎn)是它所要求的同步輻射源比較昂貴、稀少，致使應(yīng)用受到限制，難以普及。后來(lái)出現(xiàn)了所謂的準(zhǔn)LIGA技術(shù)，它是用紫外光源來(lái)代替同步輻射源，雖然不具備和LIGA技術(shù)相當(dāng)?shù)暮穸然驅(qū)捝畋?，但是，它涉及的是常?guī)的設(shè)備和加工技術(shù)，這些技術(shù)更容易實(shí)現(xiàn)。 封接技術(shù)封接技術(shù)在微機(jī)械加工中也占有重要位置，封接的目的是將分開(kāi)制作的微機(jī)械部件在不使用粘結(jié)劑的情況下連接在一起，封在殼中使其滿(mǎn)足使用要求封接技術(shù)影響到整個(gè)微系統(tǒng)的功能和尺寸，可以說(shuō)是微機(jī)械系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。常用的封接技術(shù)有反映封接、淀積密封膜和鍵合技術(shù)。反應(yīng)封接是將多晶硅結(jié)構(gòu)與硅基通過(guò)氧化封接在一起；淀積密封膜是用化學(xué)氣相淀積法在構(gòu)件和襯底之間淀積密封材料；鍵合技術(shù)分為硅硅直接鍵合和靜電鍵合：硅硅鍵合是將兩個(gè)經(jīng)過(guò)磨拋的平坦硅面在高溫下依靠原子的力量直接鍵合在一起形成一個(gè)整體，靜電鍵合主要用于硅和玻璃之間的鍵合，在400℃溫度下，將硅和玻璃之間加上電壓產(chǎn)生靜電引力而使兩者結(jié)合成一體。為了提高微系統(tǒng)的集成度，一些新的方法如自動(dòng)焊接、倒裝焊接也得到了廣泛的應(yīng)用。 激光快速成型技術(shù)激光快速成型技術(shù)是利用光硬化性樹(shù)脂的光合成樹(shù)脂進(jìn)行加工的技術(shù)。初始這種材料是液態(tài)的，經(jīng)過(guò)激光照射即成為固體，這種技術(shù)完全用計(jì)算機(jī)控制，即使形狀很復(fù)雜，也不受影響，無(wú)須掩膜，直接成型。隨著激光束分辨率的提高，達(dá)到數(shù)個(gè)微米的精度也就有了可能。用這種技術(shù)可大大縮短生產(chǎn)研制周期，成本較低。 分子裝配技術(shù)80年代初發(fā)明的掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope，簡(jiǎn)稱(chēng)STM)以及后來(lái)在STM基礎(chǔ)上派生出的原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，簡(jiǎn)稱(chēng)AFM)，使觀察分子、原子的結(jié)構(gòu)從宏觀進(jìn)入了微觀世界。，是目前世界上精度最高的表面形貌觀測(cè)儀，利用其探針的尖端可以俘獲和操縱分子、原子，并可以按照需要拼成一定的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行分子、原子裝配制作微機(jī)械。這是一種納米級(jí)微加工技術(shù)，是一種從物質(zhì)的微觀角度來(lái)構(gòu)造微結(jié)構(gòu)，制作微機(jī)械的方法．美國(guó)的IBM公司用STM操縱35個(gè)氙原子，在鎳板上拼出了“IBM”三個(gè)字母；中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所用原子擺成我國(guó)的地圖；日本用原子拼成了“Peace”一詞，有理由相信，STM將會(huì)在微細(xì)加工方面有更大的突破。 集成制造技術(shù)最近，微機(jī)械出現(xiàn)了一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)，即用標(biāo)準(zhǔn)的IC工藝把各種微器件、微結(jié)構(gòu)與馭動(dòng)、控制和信號(hào)處理電路集成在一塊芯片上，制成完整的機(jī)電一體的微機(jī)械系統(tǒng)。目前實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的IC工藝與MEMS集成的方法有三種：第一種是先進(jìn)行IC工藝，再進(jìn)行MEMS微機(jī)械加工的單片集成工藝；第二種先進(jìn)行MEMS微機(jī)械加工再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)IC工藝的單片集成工藝；第三種是電路和MEMS分別制作在不同的襯底上然后再鍵合在一起的混合集成工藝，整個(gè)系統(tǒng)的尺寸可小至幾百微米。 其他加工技術(shù)微機(jī)械加工除了以上介紹的基本技術(shù)外，還廣泛使用傳統(tǒng)大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)中的氧化、擴(kuò)散、外延、注入、光刻等工藝，也使用許多其他的非半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)用的技術(shù)，例如激光束、離子束和電子束加工、放電加工、微細(xì)雕刻、精密切削、超聲波加工等。這些技術(shù)具有自身的特點(diǎn)，在微機(jī)械中，仍然有若一定的潛力，是基本技術(shù)的補(bǔ)充。利用這些技術(shù)可以獲得一些微構(gòu)件，在一些情況下也是很有效的。4 微機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)近十幾年來(lái)，微機(jī)械電子系統(tǒng)得以迅猛發(fā)展，一些令人注目的微系統(tǒng)引起人們的廣泛關(guān)注，各種微型元件被開(kāi)發(fā)出來(lái)并顯示出現(xiàn)實(shí)和潛在的價(jià)值，微機(jī)械制造技術(shù)被認(rèn)為是微機(jī)械發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)之一從目前來(lái)看，總的發(fā)展趨勢(shì)是：加工方法從最初單一加工技術(shù)向組合加工技術(shù)發(fā)展。如近來(lái)出現(xiàn)的新的微結(jié)構(gòu)制造技術(shù)——DEEMO就是干法腐蝕、電鍍和鑄模的組合。光刻技術(shù)也從平面發(fā)展到了三維。 從開(kāi)始簡(jiǎn)單的平面硅微加工向著三維體、具有自由曲面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)發(fā)展。 加工的材料，從單純的硅向著各種不同類(lèi)型的材料發(fā)展，如玻璃、陶瓷、樹(shù)脂、金屬及一些有機(jī)物，大大擴(kuò)展了微機(jī)械的應(yīng)用范圍，滿(mǎn)足了更多的要求。 加工規(guī)模從單件向批量生產(chǎn)發(fā)展，LIGA工藝的出現(xiàn)是微機(jī)械進(jìn)行批量生產(chǎn)的范例，因而引起人們的高度關(guān)注。 加工方式從最初的手工操作向自動(dòng)化、智能化發(fā)展。例如，日本微機(jī)械研究中心(MMC)正在研制一種微機(jī)械制造設(shè)備，它可以完成從設(shè)計(jì)參數(shù)的輸入、加工到部件制造及組裝封裝。 尋找成本、時(shí)間、批量生產(chǎn)的協(xié)調(diào)并得到最優(yōu)的制造工藝。 加緊微機(jī)理的研究，建立微觀世界的數(shù)學(xué)模型、力學(xué)模型和分析方法，奠定微機(jī)械的基礎(chǔ)理論，這對(duì)微機(jī)械的設(shè)計(jì)、制造加工工藝的制定有很大的實(shí)際應(yīng)用意義。舉例導(dǎo)入舉例分析說(shuō)明結(jié)合實(shí)例分析討論法分析結(jié)合實(shí)際舉例舉例分析提問(wèn)學(xué)生總結(jié)教學(xué)環(huán)節(jié)教 學(xué) 內(nèi) 容備 注組織教學(xué)提問(wèn)導(dǎo)言檢查學(xué)生出勤微機(jī)械加工在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中所占的地位和作用？任務(wù)七 微機(jī)械加工技術(shù)一、 概念 微型機(jī)械加工或稱(chēng)微型機(jī)電系統(tǒng)或微型系統(tǒng)是只可以批量制作的、集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、甚至外圍接口、通訊電路和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)有：體積?。ㄌ卣鞒叽绶秶鸀椋?μm10mm）、重量輕、耗能低、性能穩(wěn)定；有利于大批量生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本；慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短；集約高技術(shù)成果，附加值高。微型機(jī)械的目的不僅僅在于縮小尺寸和體積，其目標(biāo)更在于通過(guò)微型化、集成化、來(lái)搜索新原理、新功能的元件和系統(tǒng)，開(kāi)辟一個(gè)新技術(shù)領(lǐng)域，形成批量化產(chǎn)業(yè)。 微型機(jī)械加工技術(shù)是指制作為機(jī)械裝置的微細(xì)加工技術(shù)。微細(xì)加工的出現(xiàn)和發(fā)展早是與大規(guī)模集成電路密切相關(guān)的，集成電路要求在微小面積的半導(dǎo)體上能容納更多的電子元件，以形成功能復(fù)雜而完善的電路。電路微細(xì)圖案中的最小線(xiàn)條寬度是提高集成電路集成度的關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)志，微細(xì)加工對(duì)微電子工業(yè)而言就是一種加工尺度從微米到納米量級(jí)的制造微小尺寸元器件或薄模圖形的先進(jìn)制造技術(shù)。目前微型加工技術(shù)主要有基于從半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工工藝中發(fā)展起來(lái)的硅平面加工和體加工工藝，上世紀(jì)八十年代中期以后在LIGA加工（微型鑄模電鍍工藝）、準(zhǔn)LIGA加工，超微細(xì)加工、微細(xì)電火花加工（EDM）、等離子束加工、電子束加工、快速原型制造（RPM）以及鍵合技術(shù)等微細(xì)加工工藝方面取得相當(dāng)大的進(jìn)展。 微型機(jī)械系統(tǒng)可以完成大型機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)。微型機(jī)械與電子技術(shù)緊密結(jié)合，將使種類(lèi)繁多的微型器件問(wèn)世，這些微器件采用大批量集成制造，價(jià)格低廉，將廣泛地應(yīng)用于人類(lèi)生活眾多領(lǐng)域?？梢灶A(yù)料，在本世紀(jì)內(nèi)，微型機(jī)械將逐步從實(shí)驗(yàn)室走向適用化，對(duì)工農(nóng)業(yè)、信息、環(huán)境、生物醫(yī)療、空間、國(guó)防等領(lǐng)域的發(fā)展將產(chǎn)生重大影響。微細(xì)機(jī)械加工技術(shù)是微型機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)非常重要而又非常活躍的技術(shù)領(lǐng)域，其發(fā)展不僅可帶動(dòng)許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，更是與國(guó)家科技發(fā)展、經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)息息相關(guān)。微型機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展有著巨大的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。 二、國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 1959年，RichardPFeynman（1965年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者）就提出了微型機(jī)械的設(shè)想。1962年第一個(gè)硅微型壓力傳感器問(wèn)世，氣候開(kāi)發(fā)出尺寸為50~500μm的齒輪、齒輪泵、氣動(dòng)渦輪及聯(lián)接件等微機(jī)械。1965年，斯坦福大學(xué)研制出硅腦電極探針，后來(lái)又在掃描隧道顯微鏡、微型傳感器方面取得成功。1987年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校研制出轉(zhuǎn)子直徑為60~12μm的利用硅微型靜電機(jī)，顯示出利用硅微加工工藝制造小可動(dòng)結(jié)構(gòu)并與集成電路兼容以制造微小系統(tǒng)的潛力。 微型機(jī)械在國(guó)外已受到政府部門(mén)、企業(yè)界、高等學(xué)校與研究機(jī)構(gòu)的高度重視。美國(guó)MIT、Berkeley、Stanford\\ATamp。T和的15名科學(xué)家在上世紀(jì)八十年代末提出小機(jī)器、大機(jī)遇：關(guān)于新興領(lǐng)域微動(dòng)力學(xué)的報(bào)告的國(guó)家建議書(shū)，聲稱(chēng)由于微動(dòng)力學(xué)（微系統(tǒng)）在美國(guó)的緊迫性，應(yīng)在這樣一個(gè)新的重要技術(shù)領(lǐng)域與其他國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)中走在前面，建議中央財(cái)政預(yù)支費(fèi)用為五年5000萬(wàn)美元，得到美國(guó)領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)重視，連續(xù)大力投資，并把航空航天、信息和MEMS作為科技發(fā)展的三大重點(diǎn)。 美國(guó)宇航局投資1億美元著手研制發(fā)現(xiàn)號(hào)微型衛(wèi)星，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)把MEMS作為一個(gè)新崛起的研究領(lǐng)域制定了資助微型電子機(jī)械系統(tǒng)的研究的計(jì)劃，從1998年開(kāi)始，資助MIT，加州大學(xué)等8所大學(xué)和貝爾實(shí)驗(yàn)室從事這一領(lǐng)域的研究與開(kāi)發(fā)，年資助額從100萬(wàn)、200萬(wàn)加到1993年的500萬(wàn)美元。1994年發(fā)布的《美國(guó)國(guó)防部技術(shù)計(jì)劃》報(bào)告，把MEMS列為關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目。美國(guó)國(guó)