论微机械加工技术

周大伟 永城职业学院 河南永城 476600

【文章摘要】

微机电系统的制造主要是靠微机械加工技术，它的出现和发展最早是和大规模集成电路密切相关的。集成电路要求在微小面积的半导体材料上能容纳更多的电子元件，以形成功能复杂而完善的电路。目前微型机械加工技术主要有基于从半导体集成电路细微加工工艺中发展起来的硅平面加工工艺和体加工工艺。在LIGA （光刻电铸）加工、准LIGA 加工、超微细机械加工、微细电火花加工、等离子体加工、激光加工、离子束加工、电子束加工、快速原型制造技术以及键合技术等微细加工工艺方面取得了相当大的进展。

【关键词】

微机械加工技术；种类；应用

1 概述

微型机电系统（MEMS）是可以批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，甚至外围接口、通信电路和电源等于一体的微型器件或系统。其主要特点有：体积小，重量轻，耗能低、性能稳定；有利于大批量生产，降低生产成本；惯性小，谐振频率高，响应时间短；集约高技术成果，附加值高等。

微型机电系统体积小，能耗低，智能化程度高，其应用领域十分广泛。例如： 在生物医疗中，“智能药丸”微型机械可通过口服或皮下注射进入人体，探测和清除人体内的癌细胞，此外还可用于视网膜手术，修补血管等。在工业领域，维修用的微型机械产品可以在狭窄空间和恶劣环境下进行诊断和修复工作。

2 微机械加工技术

微型机电系统涉及许多关键技术， 当一个系统的特征尺寸达到微米和纳米量级时，将会产生许多新的问题。微机械加工技术是其中之一，它涉及微细加工技术、微型机械组装和封装技术、微系统的测试技术等。微细加工技术主要有半导体加工技术、LIGA 技术、集成电路技术、特种加工技术、微细切削磨削加工、快速原型制造技术和键合技术。

2.1 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、光刻与腐蚀的工艺过程。半导体加工技术使微型系统的制作具有低成本、大批量的潜力。

1）光刻加工技术 光刻加工可分为两个阶段，第一阶段为原版制作，生成工作原版或工作掩膜，为光刻时的模板，第二阶段为光刻。

在制造大规模、超大规模集成电路等场合，需采用CAD 技术，把集成电路设计与制版结合起来，即进行自动制版。

2）体微机械加工技术 体微机械加工是一种对硅衬低的某些部位用腐蚀技术有选择地去除一部分以形成微型机械结构的工艺，常用的主要有湿法腐蚀和干法腐蚀两种。

湿法腐蚀是利用化学腐蚀的方法对硅片进行加工的技术，一般用各向同性化学腐蚀、各向异性化学腐蚀和电化学腐蚀。干法腐蚀是利用粒子轰击时对材料的某些部位进行选择性腐蚀的方法，即采用等离子体腐蚀、离子束和溅射腐蚀、反应离子束腐蚀等工艺来腐蚀多晶硅膜、氮化硅膜以形成微型机械结构。目前，随着干法腐蚀技术的发展，已形成以干法为主，干、湿结合的刻蚀工艺。

3）面微机械加工技术 面微机械加工技术是在硅表面根据需要生成多层薄膜，如二氧化硅、多晶硅、氮化硅、磷硅玻璃膜层，在硅平面上形成所需要的形状，甚至是可动部件。该技术的优点是：在制造过程中所使用的材料和工艺与常规集成电路的生产有很强的兼容性，不必另外投资；再者，只要在制膜上略加改动，就可以用同样的方法制造出大量的不同结构。其最大的优势在于把机械结构和电子电路集成一起的能力，从而使微产品具有更好的性能和更高的稳定性。

2.2 LIGA 技术和准LIGA 技术

LIGA 技术是一种由半导体光刻工艺派生出来的，采用光刻方法一次生成三维空间微型机械构建的方法，该技术的机理由深层X 射线光刻、电铸成形及注塑成型三个工艺组成。它的主要工艺过程为：X 光光刻掩膜版的制作、X 光深光刻、光刻胶显影、电铸成形、塑模制作、塑模脱模成形等。具体过程为：先用聚乙- 甲基丙烯酸等作光致抗蚀剂涂在基板上，再在基板上盖上已刻好图形的金属掩膜，再用X 射线使光刻胶层曝光、显影，将未曝光部分溶解掉，制成抗蚀层的结构图形，再在抗蚀层的结构图形的间隙出镀上镍、铜或金等金属至所需厚度，制成金属膜，以此膜为母模注射塑料型芯，再将型芯电镀成金属构件。

2.3 集成电路（IC）技术

这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，在微型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。

2.4 超微型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型机械零件，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。

精密微细切削加工适合所有金属材料、塑料及工程陶瓷，适合具有回转表面的微型零件加工，如圆柱体，螺纹表面、沟槽、圆孔及平面加工，切削方式有车削、铣削、钻削。精密微细磨削可用于硬脆材料的圆柱体表面、沟槽、切断的加工。微细电火花加工是利用微型EMD 电极对工件进行电火花加工，可以对金属、聚晶金刚石、单晶硅等导体、半导体材料做垂直工件表面的孔、异形槽、成形表面的加工。微细电火花线切割加工也可以加工微细外圆表面，在工件的一侧装有线切割用的钼丝，工件作回转运动，钼丝在走丝中对工件轴线做进给运动，完成对工件外圆的加工。

2.5 键合技术

键合技术是一种把两个固体部件在一定温度与电压下直接键合在一起的封装技术，期间不用任何粘接剂，在键合过程中始终处于固相状态。它可以是硅- 玻璃静电键合，也可以是硅- 硅直接键合。它可以实现硅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。

3 总结

微机械加工技术作为微型机电系统的关键技术，将随MEMS 的发展和应用而有一个大的发展。硅加工、LIGA 加工和准LIGA 加工向着制作更复杂、更高深比、适合各种要求的微结构，以及更易于和电路集成的方向发展。

【参考文献】

[1] 李华. 机械制造技术. 高等教育出版社 2009（2）

[2] 卢秉恒等. 机械制造技术基础. 机械工业出版社2005.5116

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