微细制造复习题整理.doc

1. 何为（微细）特种加工？相比于机械加工其优点是什么？微细特种加工与切削加工不同，微细特种加工不是主要依靠机械能，而是主要用其他能量（如各种物理的、化学的能量及其各种理化效丿应），肓接去除或增加材料以达到加工的目的，一般没有显著的机械切削力，可以加工任何硬度、强度、韧性及脆性的金属或非金属材料，且专长于加工复杂、微细表面和低刚度零件，并可以实现逐个分了或原了的去除加工。

因此，在微小尺寸零件的加工中有着不可替代的优越性。

微细特种加工技术受到世界上工业发达国家的日益重视。

特种加工是指传统切削加工以外的加工方法。

它不依靠机械能，主要使用电、化学、光、声、热等能量去除材料。

特点：工具柔性，适合加工高硬度、高强度材料；无切削力，适合加工弹性、脆性材料和薄壁件。

2. 给定一种工艺，能够判别它是并行加工（模板复制）还是出行加工（逐点加工），或者两种加工方式都可以？并行加工和串行加工各有什么优缺点？3. 三束加工是哪三种加工技术的简称？其材料去除机理分别是什么？分辨率由高到底的顺序是什么？高能束流加工是特种加工技术的重要分支之一。

通常将激光加工（简称LBM）、电了束加工（简称EBM）和离了束加工（简称IBM）称之为高能束加工，亦称三束加工。

离了束比电了束具有更高的分辨率。

共同之处是以具有很高能量密度的束流,通过一定的装置在空间传输并在工件表面聚焦, 从而去工件材料或完成其它用途。

不同之处在于所用的能量载体不同，分别为光了、电了、离了和水流，因而其加工机理、功能、效果和使用范囤就有所不同。

电了束曝光超高分辨率，激光加工分辨率高。

电子束：高能量密度电了束加工时将电了束的动能在材料表面转换成热能，能量密度高达1006-9W/cm2,功率可达到100kW o由于能量与能量密度祁非常高，电了束足以使任何材料迅速熔化或汽化。

因此，电了束不仅可加工钩、釦、钮等难熔金属及其合金，还可对陶瓷、石英等材料进行加工。

此外，电了束的高能量密度使得它在生产过程屮的加工效率也非常高。

电子束加工原理：1真空条件下，利用电流加热阴极发射电了束，经控制栅极初步聚焦示，由加速阳极加速，通过透镜聚焦系统进一步聚焦，使能量密度集屮在貞径5〜10屮n 斑点内。

2高速而能量密集的电了束冲击到工件上，被冲击点处形成瞬时高温（几分Z 一微秒时间内升高至几千摄氏度），工件表面局部熔化、气化育至被蒸发去除。

离子束：在真空条件下，将离了源产生的离了束经过加速、聚焦示投射到工件表面。

由于离了带正电荷，其质量数比电了大数T-倍共至上力-倍，它撞击工件时具有很大撞击动能，通过微观的机械撞击作用从而实现对工件的加工。

激光加工：将激光高度集中起来，聚焦成一个极小的光斑（直径Vl/100mm2 ,从而获得功率密度极高10（）,0（）（）kW/cm2）,这就能提供足够的热量来熔化或汽化任何一种已知的高强度工程材料，故可进行非接触加工，适合各种材料的微细加工。

4. 电子显微镜、电子束光刻机、电子束加工设备屮的聚焦光斑大小由高到底的顺序是什么？为什么？若希望加工20mn线宽的沟槽，是采用电子束光刻的方法还是电子束烧蚀的方法？电子显微镜（分辨率亚纳米）；电子束光刻机；电子束加工（5〜10gm）5. 简述飞秒激光加工的特点及双光子效应？飞秒激光聚焦到材料表面后，由于作用时间极短且光电场强度极高，导致激光束聚焦光斑附近的物质迅速被加热育接汽化，大量能量被带走，热量来不及在材料内部扩散，减少了熔融区域的体积，因此热扩散对焦点周围影响很小，烧蚀和材料去除精确。

由于焦点处的光电场强度极高，飞秒激光可以对任何材料进行加工，不受限制。

双光了吸收采用具有超短和超强特性的飞秒激光作为光源，具有以下特点：①双光了吸收是长波吸收短波发射的过程，激发光对介质穿透率高，可有效地减少介质对激发光吸收等过程的耗散和破坏，并能用可见光或近红外光来激励那些原木需要远紫外光才能激发的体系。

②由于材料的双光了吸收与激发光强的平方密切相关，因而双光子吸收仅局限在物镜焦点处空间体积约为疋（几为入射光波长）的小范围空间内。

光路上其他地方的激光强度不足以产生双光了吸收，而由于所用光波长较长，能量较低，相应的单光了过程不能发生。

6. 基于热效应加工的零件从表层到基体组织可以分成哪几个区域？若希望得到高精度和高表而质量的零件，从材料熔点、热导率、比热容，以及输入能量的角度应该有哪些要求？熔化凝固层、热影响层、基体，单个脉冲能量的大小（脉宽和峰值电流的乘积）加工速度/,表而粗糙度/工件材料熔点/,表面粗糙度\工具电极的表而粗糙度7. 热床印具有什么缺点？紫外压印是如何克服这些缺点的？相比于紫外压印，闪光压印具有什么特点？热压印相对于传统的纳米加T方法，具有方法灵活、成本低廉和生物相容的特点。

但缺点是需要高温、高压。

热圧印时，需要加热使温度高于聚合物的玻璃化温度，从而使聚合物具有流动性。

加热冷却过程时间长，影响效率。

由于模板和衬底的热膨胀系数不同，会在较大的衬底上造成图案失真的问题等。

热压印过程屮，为了使聚合物能完全将模板内的结构填充满，压印时会施加比较高的压力，导致丁•艺系统的变形，影响复制图案精度。

热压印模板必须选择硬质材料，以承受足够的压力。

通常选用硅、石英、氮化硅、金刚石或是金属等材料制作模板。

紫外压印过程屮无需加热，且只需很小的压力使模板和胶保持接触。

在紫外压印工艺屮, 一般使用石英玻璃印章（硬模）或PDMS印章（软模）。

闪光压印：紫外光固化层很薄，只需很短时间的光照。

真正的图案形成在转移层。

很薄的紫外光固化层压印图案避免了填充和脱模时缺陷的发生。

压印力很小，适合制造多层结构。

&简述广义的IC光刻的流程？其与纳米压印工艺共性的步骤有那些？为何两者有很多共性的工艺步骤（或者说从本质上两者都可以实现什么样的功能）？一般的光刻工艺要经历底膜处理、涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀、去胶、检验工序。

纳米压印工艺：在衬底材料丄涂覆一层聚合物薄膜、加热、加压、冷却、脱模、扫胶。

9.概要解释影响电子束光刻图形质量的前向散射和背散射？离子朿光刻屮为何几乎没有这两种散射？电了在抗蚀剂和衬底屮的散射可以按照其散射的角度分为两类：前散射和背散射。

散射麻的电了与入射电了方向的夹角小于90度是前散射，反Z大于90度是背散射。

前散射散射角度小，产生的影响范围也比较小，结果是加宽了原来入射电了束的束流分布。

背散射角大，影响范围也大，达到几微米。

另外，来H衬底屮的背散射电了会返1叫到抗蚀剂屮，引起抗蚀剂的额外曝光。

结果，显影麻的抗蚀图形尺寸比原来预期的宽，是造成邻近效应的主要原因。

兹轻的离了质量都比电了厘2000倍左右，离了朿在感光胶屮散射范围极小，离了朿曝光基木不存在邻近效应。

10•简述软压印（微接触压印）和扫描探针点墨法两种工艺的相同和区别之处？（从墨水材料和模板复制/逐点加工角度考虑）微接触压印：用光学或电子朿光刻技术制得掩膜板，用一种高分子材料（一般是PDMS）在掩膜板屮固化脱模后得到微接触压印所需要的模板；将模板侵没到含硫醇的试剂屮；再将PDMS模板床在镀金的衬底± 10s-20s后移开，硫醇会与金反应生成自组装的单分子层SAM,将图形由模板转移到衬底上。

扫描探针点墨法：11・原子力显微镜三种工作模式下针尖到样品的间距范围？那种力占主导？各自特点及适用场合？接触模式范围在10・10〜10・6N排斥力；AFM在整个扫描成像过程之屮，探针针尖始终与样品表面保持紧密的接触，而相互作用力是排斥力。

扫描吋, 悬臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构，因此力的大小范围在10 ・10〜10-6No若样品表面柔嫩而不能承受这样的力，便不宜选用接触模式对样品表面进行成像。

优点：扫描速度快,是唯- •能够获得'原了分辨率”图像的AFM垂玄方向上有明显变化的质硬样品，冇时更适于用Contact Mode扫描成像。

缺点：横向力影响图像质量。

在空气屮，因为样品表血吸附液层的毛细作用,使针尖与样品之间的粘着力很大。

横向力与粘着力的介力导致图像空间分辨率降低,而且针尖刮擦样品会损坏软质样品（如生物样品，聚合体等）。

非接触模式上方5〜10mn的距离范徳华力控制样品与针尖之间的相互作用由范德华力控制，通常为 1 O-12N ,样品不会被破坏，而且针尖也不会被污染，特别适合于研究柔嫩物体的表面。

这种操作模式的不利Z处在于要在室温大气环境下实现这种模式十分困难。

因为样品表而不可避免地会积聚薄薄的一层水，它会在样品与针尖Z间搭起一小小的毛细桥，将针尖与表而吸在一起，从而增加尖端对表面的床力。

优点：没有力作用于样品表面•缺点：由于针尖与样品分离，横向分辨率低;为了避免接触吸附层而导致针尖胶粘,•其扫描速度低于Tapping Mode和Contact Mode AFM。

通常仅用于非常怕水的样品，吸附液层必须薄，如果太厚，针尖会陷入液层，引起反馈不稳，刮擦样品。

由于上述缺点，on-contact Mode 的使用受到限制。

轻敲模式敲击模式介于接触模式和非接触模式Z间，是一个杂化的概念。

悬臂在试样表而上方以其共振频率振荡,针尖仅仅是周期性地短暂地接触/敲击样品表而。

这就意味着针尖接触样品时所产生的侧向力被明显地减小了。

因此半检测柔嫩的样品时，AFM的敲击模式是最好的选择Z-o 一旦AFM 开始对样品进行成像扫描,装置随即将有关数据输入系统，如表而粗糙度、平均高度、峰谷峰顶乙间的最大距离等，用于物体表而分析。

同时，AFM还可以完成力的测量工作,测量悬暨的弯曲程度来确定针尖与样品乙间的作用力大小。

优点：很好的消除了横向力的影响。

降低了市吸附液层引起的力，图像分辨垄高，适于观测软、易碎、或胶粘性样品，不会损伤其表面。

缺点：比Contact Mode AFM 的扫描速度慢。

12. 电火花和电解微加工的材料去除机理是什么？理论丄而言哪一种方法精度高？哪一种方法效率高？电火花加工是基于正负电极间脉冲放电式的电腐蚀现彖对材料进行加工，电解加工是基于电解过程屮的阳极溶解原理并借助于成型的阴极，将工件按一定形状和尺寸加工成型的一种工艺方法。

电火花加工一般加工速度较慢，而电解加工生产率高，且加工生产率不直接受加工精度和表而粗糙度的限制。

13. 单位电火花放电包含哪四个步骤？若希望减少工具电极损耗，可以从哪些角度采取措施？1, 极间介质电离击穿，形成放电通道2, 介质热分解，电极材料融化，气化，热膨胀3, 两电极间材料的抛出4, 极间介质的消电离措施：正确地选择极性合理地选择电极材料电参数的合理配置及转换利用吸附效应和传热效应。

选取适当峰值电流降低冲油压力。

14. LIGA工艺综合使用了本门课程屮介绍的那些微细加工工艺？LIGA T.艺是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术(工艺流程如图所示)，主要包括X光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤。