1.微细切削技术

鉴于微细切削技术的迅速发展，本部分内容将于本章2.4节做详细介绍。

2.微细电加工技术

电加工是一种特种加工工艺，对于某些具有特殊性能的超硬材料，用机械加工的方法很难实现，必须使用电加工、光刻化学加工或生物加工等方法。微细电加工的基本原理与普通电火花加工相同，区别在于为实现微细加工，必须进行微小型工具电极的制备，同时控制放电的微小能量、进行微量进给的伺服控制，以及加工中进行检测和系统控制等。

线电极放电磨削（WEDG）和线电极电化磨削（WECG）就是典型的两种电加工方法，WEDG与WECG的加工机床和工艺基本相似。图2-7所示为用电火花线电极放电磨削（WEDG）技术加工微小型刀具的简明工艺流程。WEDG技术可以稳定地制成ϕ10μm的钻头，最小可达ϕ6.5μm，这是传统磨削技术等所达不到的。图2-7中用作加工工具的电极丝在导丝器导向槽的夹持下靠近工件，在工件和电极丝之间设有放电介质。加工时，工件做旋转和直线进给运动，电极丝在导向槽中低速滑动，通过脉冲电源使电极丝和工件之间不断放电来去除工件的加工余量。微细加工所用的脉冲电源的放电能量只是一般电火花加工的1%，WECG与WEDG相似，只是在工件和电极丝之间浸入电解液，并采用低压直流电源。

图2-7 用WEDG加工微小型刀具的简明工艺流程

3.光刻加工技术

光刻加工是微细加工中广泛使用的一种加工方法，最早用于微电子集成电路制造。光刻加工是用成像或光敏胶膜在基底上图形化，将光刻掩模上的图形印刷在涂有光致抗蚀剂的薄膜或基材表面，然后进行选择性腐蚀，刻蚀出所需要的图形。所用的基材有各种金属、半导体和介质材料，光致抗蚀剂又称光刻胶或感光剂。光刻技术主要用于集成电路的PN结、二极管、电容器、整流器和晶体管等元器件的制造。

光刻加工一般要经过涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀和去胶七个步骤，而在集成电路的生产中，要经过数百次这样的光刻过程。以负胶光刻为例，光刻加工工艺的基本流程如图2-8所示：

1）涂胶。涂胶过程就是在氧化硅的表面涂一层黏附性好的光刻胶膜。为保持良好的涂胶效果，最好在硅基片氧化或蒸发后立即进行，此时基片表面清洁干燥，易于涂胶。涂胶的厚薄一定要掌握好，胶膜太薄耐蚀能力差；太厚分辨率会降低，应使可分辨线宽为膜厚的5～8倍。

图2-8 光刻加工工艺的基本流程

a）涂胶、前烘 b）曝光 c）显影、坚膜 d）刻蚀 e）去胶

2）前烘。前烘就是使胶膜里的溶剂慢慢挥发出来，使胶膜变得干燥，并增加了黏附性和耐磨性。一般通过试验的方法来确定不同胶和膜厚情况下前烘的时间和温度。

3）曝光。曝光是使曝光部分的光刻胶在显影液中的溶解性改变，经显影后在光刻胶膜上得到和掩膜相对应的图形，是一种有选择性的光化学反应。常采用波长为200～400nm的紫外光，通过接触曝光、接近曝光以及投影曝光的方法进行。由于光学曝光系统的分辨率受光衍射的限制，有效分辨率仅能达到400～800nm，所以采用短波长的曝光源可以提高分辨率，如采用11～14nm的极紫外光。

4）显影。显影是把曝光后的基片放在适当的溶剂中，通过溶解反应去除光刻胶膜，以获得溶蚀时所需要保护图形。显影液的选择原则是：需要去除的胶膜溶解较快，溶解度大；需要保留的胶膜溶解度较小；显影液内所含有害的杂质少、毒性小。显影时间随胶膜种类、膜厚、显影液种类、显影温度和操作方法不同而不同。

5）坚膜。坚膜是在一定温度下对显影后的基片进行烘焙，除去显影时胶膜所吸收的显影液和残留水分，改善胶膜与基片的黏附性，增强胶膜的耐蚀能力。

6）刻蚀。刻蚀过程指采用适当的刻蚀剂，对未被胶膜覆盖的二氧化硅或其他代加工薄膜进行刻蚀，以获得清晰、完整、准确的光刻图形，从而为选择性扩散或金属布线做准备。光刻工艺对刻蚀剂的要求是：只对需要去除的物质进行刻蚀，而对胶膜几乎不产生影响；要求刻蚀图形边缘整齐、清晰，刻蚀液环保无毒性，使用方便。刻蚀分湿法和干法刻蚀两种，湿法刻蚀是采用化学溶液，通过化学反应将不需要的薄膜去掉的图形转移方法；干法刻蚀是利用具有一定能量的离子或原子，通过物理轰击、化学腐蚀或者两者协同达到刻蚀目的。(www.daowen.com)

7）去胶。去胶的过程就是把二氧化硅或者其他薄膜上的图形刻蚀出来后，将覆盖在基片上的胶膜去除干净。后续可以采用掺杂、氧化、蒸发、溅射以及外延等工艺方法，在硅基片的指定区域形成不同电特性的薄膜，从而完成基本元器件的制造。

4.LIGA技术与准LIGA技术

LIGA是一种使用X射线的深度光刻、电铸成形和注射相结合，实现深宽比大的微细构件的成形方法。该技术是在1986年由德国卡尔斯鲁厄核研究中心为提取铀235研制微型喷嘴结构的过程中产生的，是一种全新的三维实体微细加工技术。

LIGA的加工过程大致为：

1）深层同步辐射X射线光刻。即将PMMA等X射线感光材料，以0.1～1mm厚度涂在金属基板上，把从同步辐射源放射出的X射线作为曝光光源，在光致抗蚀剂上生成曝光图形的三维实体。与普通X射线相比，同步辐射源放射出的X射线不仅具有波长短、分辨率高和穿透力强的同类优点，而且还具有几乎完全平行的X射线辐射；可进行大焦深（＞10μm）的曝光；减少了几何畸变的影响；具有比普通X射线强度高两个数量级以上的高辐射强度；可使用灵敏度较低但稳定性较好的光刻胶来实现单层胶工艺；曝光时间短，生产效率高等优点。

2）电铸成形。用曝光蚀刻的图形实体作为电铸用胎膜，用电沉积方法在胎膜上沉积金属，直到电铸成形的结构刚好把光刻胶模板的型腔填满；最后在剥离溶剂中对光刻胶形成的初级模板进行腐蚀剥离，剩下的金属结构即形成所需要的金属微结构件。

3）注射成型。将电铸制成的金属微结构作为注射成型的模具，即能加工出所需的微型零件。

LIGA技术可制作深宽比大的、具有较厚结构的微小型机械结构，这是一般的微电子工艺技术所不具备的。由于X射线的平行度很高，使微细图形的感光聚焦深度比光刻法大很多，一般可达25倍以上，刻蚀厚度较大，制出的零件具有较强的实用性；另外，X射线的波长极短，小于1nm，使断面的表面粗糙度最小能达到Ra0.01μm。此外，用此法除可制造树脂类零件外，也可在精密成形的树脂零件基础上再电铸得到金属或陶瓷材料的零件。例如，目前应用LIGA法制作出直径为130μm、厚度为150μm的微型涡轮；制作出厚度为150μm的微型涡轮；制作厚度为150μm、焦距为500μm的柱面微型透镜时，可获得非常光滑的表面。

LIGA技术极大地扩大了微结构的加工能力，使得原来难以实现的微机械能够制造出来；缺点是它所要求的同步辐射源比较昂贵、稀少，致使其应用受到限制，难以普及。后来出现了所谓的准LIGA技术，它是用紫外光源代替同步辐射源，虽然不具备和LIGA技术相当的深度或宽深比，但是它利用的是常规的设备和加工技术，这些技术更容易实现。如图2-9所示为利用准LIGA技术制作的微齿轮模具型腔和通过注射得到的镍微齿轮。

图2-9 准LIGA技术制作的产品

a）微齿轮模具型腔 b）镍微齿轮

5.封接技术

封接技术在微机械加工中也占有重要位置，是微机械系统的关键技术。其目的是将分开制作的微机械部件在使用黏结剂的情况下连接在一起，封在壳中使其满足使用要求。通过封接技术可以把微小型零部件组成微系统，进而影响到整个微系统的功能和尺寸。常用的封接技术有反应封接、淀积密封膜和键合技术。反应封接是将多晶硅结构与硅基片通过氧化封接在一起；淀积密封膜是用化学气相淀积法在构件与衬底之间淀积密封材料；键合技术是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，其间不用任何黏结剂，在键合过程中始终处于固相状态。键合技术可分为硅-硅直接键合和静电键合两种，硅-硅直接键合是将两个经过磨抛的平坦硅面在高温下依靠原子的力量直接键合在一起形成一个整体；静电键合主要用于硅与玻璃之间的键合，在400℃下，在硅与玻璃之间加上电压，通过产生静电引力而使两者结合成一体，它可实现硅与玻璃一体化微型机械结构，不存在界面失配问题，有利于提高器件性能。为了提高微系统的集成度，一些新的工艺方法，如自动焊接、倒装焊接也得到了广泛的应用。

6.分子装配技术

扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）的发明，使人类可以达到操作和使用原子的水平，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，这是一种纳米级微加工技术，是一种从物质的微观角度来构造、制作微机械的工艺方法。STM和AFM具有0.01nm的分辨率，是目前世界上精度最高的表面形貌观测仪。美国的IBM公司用STM操纵35个氙原子，在镍板上拼出了“IBM”三个字母；中国科学院化学研究所用原子摆成我国的地图；日本用原子拼成了“Peace”一词。可以在铜Cu（111）表面上成功地移动了101个吸附的铁原子，写成中文的“原子”两个字，如图2-10所示，这是首次用原子写成的汉字，也是最小的汉字。有理由相信，STM和AFM技术将会在微细加工方面有更大的突破。

图2-10 用原子写成的汉字