先进制造工艺技术-微纳制造技术.ppt

* 之 先进制造工艺技术 先进制造系统 * 1 微纳制造 1.1 微纳制造的发展 1.2 微系统的关键技术 1.3 纳米加工技术 1.4 微纳制造例子 ∨ ∧ 微纳制造技术是关于微系统和纳米技术的统称。 1）微系统 是指集成了微电子和微机械（或光学、化学、生物等方面微元件）的系统。它以微米尺度理论为基础，用批量化的微电子技术和三维加工技术来完成信息获取、处理及执行等功能。微系统按特征尺寸范围可分为三类：1mm~ 10mm的微小机械，1μm~1mm的微机械，1nm~10μm的纳米机械。 2）纳米技术 是指纳米级0.1nm~100nm的材料、设计、加工、测量、控制和产品的技术。 本节将主要介绍纳米加工技术。 1.1 微纳制造的发展 ∨ ∧ 1. 微纳制造的概念 微型机械将逐步走向实用化，对工农业、信息、环境、生物医疗、空间、国防等领域的发展将产生重大影响。 如把传感器和调配药剂量的“药剂师”集于一身，制成微型“智能药丸”，通过口服或皮下注射进入人体，用以探测和清除人体内的癌细胞。微系统可用于视网膜手术、修补血管等。 在工业领域，微型机电产品可以在管路检修和飞机内部检修等狭窄空间和恶劣环境下进行诊断和修复工作。在汽车轮胎内嵌入微型压力传感器用以保持适当充气，避免充气过量或不足，仅此一项就可节油10％，仅美国国防部系统就能节省几十亿美元的汽油费。 1.1 微纳制造的发展 2.微纳制造技术的应用 ∨ ∧ 1.2 微系统的关键技术 微系统是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，其涉及许多关键技术。当一个系统的特征尺寸达到微米级和纳米级时，将会产生许多新的科学问题。 微系统研究领域的前沿关键技术有： 微系统设计技术 微细加工技术 微系统组装和封装技术 微系统的表征和测试技术 ∨ ∧ 1.3 纳米加工技术 纳米加工技术主要有5个方面： ①采用微化的定形整体刀具或非定形磨料工具进行机械加工：如车削、钻削、铣削和磨削。 ②采用电加工或在其基础上的复合加工，如微细电火花加工、线放电磨削加工、线电化磨削、电化加工等。 ③采用光、声等能量加工法，如微细激光束加工、微细超声加工。 ④采用光化掩模加工法，如光刻法，LIGA法。 ⑤采用层积增生法，如曲面的磁膜镀覆，多层薄膜镀覆和液滴层积。 ∨ ∧ 1）光刻电铸（LIGA）技术 它的工艺过程为： ①采用深层同步辐射光刻，涂覆光致抗蚀剂（图a），经X射线曝光蚀刻出图形（图b）； ②电铸，以曝光蚀刻的图形实体作为电铸用胎模，用电沉积法在胎模上沉积金属（图c），生成微铸件（图d） ③注射成形，以微铸件为模具，即可加工所要求的微零件（图e）。 1.3 纳米加工技术 ∨ ∧ 图1 LIGA法的工艺过程 a）涂覆光致抗蚀剂 b）X射线曝光蚀刻 c）电铸 d）微铸件 e）注射成形零件 d） 2）半导体加工技术 半导体加工技术即半导体表面和立体的微细加工，指在以硅为主要材料的基片上进行沉积、光刻与蚀刻的工艺过程。半导体加工技术使微系统的制作具有低成本、大批量生产的潜力。 1.3 纳米加工技术 ∨ ∧ 3）集成电路（IC）技术 集成电路（IC）技术是一种发展十分迅速且较成熟的制作大规模电路的加工技术，在微机械加工中使用较为普遍，是一种平面加工技术。但该技术的刻蚀深度只有数百纳米，且只限于制作硅材料的零部件。 1.3 纳米加工技术 ∨ ∧ 4）超微机械加工和电火花线切割加工 用小型精密金属切削机床及电火花、线切割等加工方法，制作毫米级尺寸左右的微机械零件，是一种三维实体加工技术，加工材料广泛，但多是单件加工、单件装配，费用较高。 1.3 纳米加工技术 ∨ ∧ 5）键合技术 键合技术是一种把两个固体部件在一定的温度与电压下直接键合在一起的封装技术，其间不用任何粘接剂，在键合过程中始终处于固相状态。 1.3 纳米加工技术 ∨ ∧ 6）分子装配技术 20世纪80年代初发明的扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microsoft，STM）以及后来在STM基础上派生出来的原子力显微镜（Atomic Force Microsoft，AFM），使观察分子、原子的结构从宏观世界进入了微观世界。利用其探针的尖端可以俘获和操纵分子和原子，并可以按照需要拼成一定的结构，进行分子和原子的装配制作微机械。 1.3 纳米加工技术 ∨ ∧ 目前，集成电路已经从20世纪60年代的每个芯片上仅几十个器件发展到现在的每个芯片上可包含约10亿个器件，其集成度每3年提高4倍。这一增长速度不