【正文】 然趨勢。 體微機械加工技術(shù)體微機械加工技術(shù)是對硅的襯底進(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，然而在微機械電子中．除了運動部件需要圓角獲得良好的疲勞強度外、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(簡稱EPW)；HF、HNO3和醋酸的混合液(簡稱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，靠通過腐蝕時間來控制深度的誤差很大。因此，刻蝕自停止技術(shù)應(yīng)運而生。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晶向的依賴關(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。該工藝可使微機械加工所得到的外形不受基片的晶向控制，而且不會給微結(jié)構(gòu)帶來大的應(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)、激勵的電磁參數(shù)和真空室的外形等必須控制，不同的組合會產(chǎn)生不同的腐蝕過程。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。對要求精密，刻蝕深度淺的最好用干法刻蝕工藝，對要求各向異性大、腐蝕深度很深的則最好采用濕法腐蝕工藝。 表面微機械加工技術(shù)表面微機械加工技術(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)和等離子體增強化學(xué)氣相淀積。薄膜的加工一般采用光刻技術(shù)、通過光刻將設(shè)計好的微機械結(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)。在微機械加工中，有時要形成各種微腔結(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，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)層腐蝕過后，除去犧牲層就可得到分離空腔結(jié)構(gòu)。 表面微機械加工技術(shù)的主要優(yōu)點是具有與常規(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；其缺點是該工藝本身屬于二維平面工藝，限制了設(shè)計的靈活性，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，是深層同步輻射X射線光刻、微電鑄、微塑鑄三種工藝的有機結(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作為犧牲層；第三步，采用標(biāo)準(zhǔn)LIGA工藝，X射線同步輻射制模，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)在制作很厚的微機械結(jié)構(gòu)方面有著獨特的優(yōu)點，是一般常規(guī)的微電子工藝無法替代的，它極大地擴大了微結(jié)構(gòu)的加工能力，使得原來難以實現(xiàn)的微機械結(jié)構(gòu)能夠制造出來。但缺點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。后來出現(xiàn)了所謂的準(zhǔn)LIGA技術(shù)，它是用紫外光源來代替同步輻射源，雖然不具備和LIGA技術(shù)相當(dāng)?shù)暮穸然驅(qū)捝畋龋?，它涉及的是常?guī)的設(shè)備和加工技術(shù)，這些技術(shù)更容易實現(xiàn)。 封接技術(shù)封接技術(shù)在微機械加工中也占有重要位置，封接的目的是將分開制作的微機械部件在不使用粘結(jié)劑的情況下連接在一起，封在殼中使其滿足使用要求封接技術(shù)影響到整個微系統(tǒng)的功能和尺寸，可以說是微機械系統(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：硅硅鍵合是將兩個經(jīng)過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)是利用光硬化性樹脂的光合成樹脂進(jìn)行加工的技術(shù)。初始這種材料是液態(tài)的，經(jīng)過激光照射即成為固體，這種技術(shù)完全用計算機控制，即使形狀很復(fù)雜，也不受影響，無須掩膜，直接成型。隨著激光束分辨率的提高，達(dá)到數(shù)個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，簡稱STM)以及后來在STM基礎(chǔ)上派生出的原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，簡稱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、原子裝配制作微機械。這是一種納米級微加工技術(shù)，是一種從物質(zhì)的微觀角度來構(gòu)造微結(jié)構(gòu)，制作微機械的方法．美國的IBM公司用STM操縱35個氙原子，在鎳板上拼出了“IBM”三個字母；中國科學(xué)院化學(xué)研究所用原子擺成我國的地圖；日本用原子拼成了“Peace”一詞，有理由相信，STM將會在微細(xì)加工方面有更大的突破。 集成制造技術(shù)最近，微機械出現(xiàn)了一個新的發(fā)展趨勢，即用標(biāo)準(zhǔn)的IC工藝把各種微器件、微結(jié)構(gòu)與馭動、控制和信號處理電路集成在一塊芯片上，制成完整的機電一體的微機械系統(tǒng)。目前實現(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微機械加工的單片集成工藝；第二種先進(jìn)行MEMS微機械加工再進(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，整個系統(tǒng)的尺寸可小至幾百微米。 其他加工技術(shù)微機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，在微機械中，仍然有若一定的潛力，是基本技術(shù)的補充。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 微機械制造技術(shù)的發(fā)展趨勢近十幾年來，微機械電子系統(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，各種微型元件被開發(fā)出來并顯示出現(xiàn)實和潛在的價值，微機械制造技術(shù)被認(rèn)為是微機械發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)之一從目前來看，總的發(fā)展趨勢是：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。 從開始簡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型的材料發(fā)展，如玻璃、陶瓷、樹脂、金屬及一些有機物，大大擴展了微機械的應(yīng)用范圍，滿足了更多的要求。 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化、智能化發(fā)展。例如，日本微機械研究中心(MMC)正在研制一種微機械制造設(shè)備，它可以完成從設(shè)計參數(shù)的輸入、加工到部件制造及組裝封裝。 尋找成本、時間、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，奠定微機械的基礎(chǔ)理論，這對微機械的設(shè)計、制造加工工藝的制定有很大的實際應(yīng)用意義。舉例導(dǎo)入舉例分析說明結(jié)合實例分析討論法分析結(jié)合實際舉例舉例分析提問學(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)提問導(dǎo)言檢查學(xué)生出勤微機械加工在國民經(jīng)濟中所占的地位和作用？任務(wù)七 微機械加工技術(shù)一、 概念 微型機械加工或稱微型機電系統(tǒng)或微型系統(tǒng)是只可以批量制作的、集微型機構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、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)時間短；集約高技術(shù)成果，附加值高。微型機械的目的不僅僅在于縮小尺寸和體積，其目標(biāo)更在于通過微型化、集成化、來搜索新原理、新功能的元件和系統(tǒng)，開辟一個新技術(shù)領(lǐng)域，形成批量化產(chǎn)業(yè)。 微型機械加工技術(shù)是指制作為機械裝置的微細(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)加工對微電子工業(yè)而言就是一種加工尺度從微米到納米量級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。 微型機械系統(tǒng)可以完成大型機電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)。微型機械與電子技術(shù)緊密結(jié)合，將使種類繁多的微型器件問世，這些微器件采用大批量集成制造，價格低廉，將廣泛地應(yīng)用于人類生活眾多領(lǐng)域。可以預(yù)料，在本世紀(jì)內(nèi)，微型機械將逐步從實驗室走向適用化，對工農(nóng)業(yè)、信息、環(huán)境、生物醫(yī)療、空間、國防等領(lǐng)域的發(fā)展將產(chǎn)生重大影響。微細(xì)機械加工技術(shù)是微型機械技術(shù)領(lǐng)域的一個非常重要而又非?；钴S的技術(shù)領(lǐng)域，其發(fā)展不僅可帶動許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，更是與國家科技發(fā)展、經(jīng)濟和國防建設(shè)息息相關(guān)。微型機械加工技術(shù)的發(fā)展有著巨大的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。 二、國外發(fā)展現(xiàn)狀 1959年，RichardPFeynman（1965年諾貝爾物理獎獲得者）就提出了微型機械的設(shè)想。1962年第一個硅微型壓力傳感器問世，氣候開發(fā)出尺寸為50~500μm的齒輪、齒輪泵、氣動渦輪及聯(lián)接件等微機械。1965年，斯坦福大學(xué)研制出硅腦電極探針，后來又在掃描隧道顯微鏡、微型傳感器方面取得成功。1987年美國加州大學(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，顯示出利用硅微加工工藝制造小可動結(jié)構(gòu)并與集成電路兼容以制造微小系統(tǒng)的潛力。 微型機械在國外已受到政府部門、企業(yè)界、高等學(xué)校與研究機構(gòu)的高度重視。美國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器、大機遇：關(guān)于新興領(lǐng)域微動力學(xué)的報告的國家建議書，聲稱由于微動力學(xué)（微系統(tǒng)）在美國的緊迫性，應(yīng)在這樣一個新的重要技術(shù)領(lǐng)域與其他國家的競爭中走在前面，建議中央財政預(yù)支費用為五年5000萬美元，得到美國領(lǐng)導(dǎo)機構(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。 美國宇航局投資1億美元著手研制發(fā)現(xiàn)號微型衛(wèi)星，美國國家科學(xué)基金會把MEMS作為一個新崛起的研究領(lǐng)域制定了資助微型電子機械系統(tǒng)的研究的計劃，從1998年開始，資助MIT，加州大學(xué)等8所大學(xué)和貝爾實驗室從事這一領(lǐng)域的研究與開發(fā)，年資助額從100萬、200萬加到1993年的500萬美元。1994年發(fā)布的《美國國防部技術(shù)計劃》報告，把MEMS列為關(guān)鍵技術(shù)項目。美國國