第十二章 表面微细加工技术
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表⾯⼯程复习题答案⼀、名词解释表⾯⼯程技术:为满⾜特定的⼯程需求,使材料或零部件表⾯具有特殊的成分、结构和性能(或功能)的化学、物理⽅法与⼯艺。
表⾯能:严格意义上指材料表⾯的内能,包括原⼦的动能、原⼦间的势能以及原⼦中原⼦核和电⼦的动能和势能等。
洁净表⾯:材料表层原⼦结构的周期性不同于体内,但其化学成分仍与体内相同的表⾯。
清洁表⾯:⼀般指零件经过清洗(脱脂、浸蚀等)以后的表⾯。
区别:洁净表⾯允许有吸附物,但其覆盖的⼏率应该⾮常低。
洁净表⾯只有⽤特殊的⽅法才能得到。
清洁表⾯易于实现,只要经过常规的清洗过程即可。
洁净表⾯的“清洁程度”⽐清洁表⾯⾼。
吸附作⽤:物体表⾯上的原⼦或分⼦⼒场不饱和,有吸引周围其它物质(主要是⽓体、液体)分⼦的能⼒。
磨损:相对运动的物质摩擦过程中不断产⽣损失或残余变形的现象。
腐蚀:材料与环境介质作⽤⽽引起的恶化变质或破坏。
极化:腐蚀电池⼯作时,阴、阳极之间有电流通过,使阴、阳极之间的电位差(实际电极电位)⽐初始电位差要⼩得多的现象。
钝化:由于⾦属表⾯状态的改变引起⾦属表⾯活性的突然变化,使表⾯反应速度急剧降低的现象。
(阳极反应受阻的现象)表⾯淬⽕:⽤特定热源将钢铁材料表⾯快速加热到Ac3(对亚共析钢)或者Ac1(对过共析钢)之上(奥⽒体化),然后使其快速冷却并发⽣马⽒体相变,形成表⾯强化层的⼯艺过程。
喷丸强化:利⽤⾼速喷射的细⼩弹丸在室温下撞击受喷⼯件的表⾯,使表层材料在再结晶温度之下产⽣弹、塑性变形,并呈现较⼤的残余压应⼒,从⽽提⾼⼯件表⾯强度、疲劳强度和抗应⼒腐蚀能⼒的表⾯⼯程技术。
(喷丸强化技术)热喷涂:采⽤各种热源使涂层材料加热熔化或半熔化,然后⽤⾼速⽓体使涂层材料分散细化并⾼速撞击到基体表⾯形成涂层的⼯艺过程。
电镀:在含有欲镀⾦属的盐类溶液中,在直流电的作⽤下,以被镀基体⾦属为阴极,以欲镀⾦属或其它惰性导体为阳极,通过电解作⽤,在基体表⾯上获得结合牢固的⾦属膜的表⾯⼯程技术。
2011 年春季学期研究生课程考核(读书报告、研究报告)考核科目:微细超精密机械加工技术原理及系统设计学生所在院(系):机电工程学院学生所在学科:机械设计及理论学生姓名:杨嘉学号:10S008214学生类别:学术型考核结果阅卷人微细加工技术概述及其应用摘要微细加工原指加工尺度约在微米级范围的加工方法,现代微细加工技术已经不仅仅局限于纯机械加工方面,电、磁、声等多种手段已经被广泛应用于微细加工,从微细加工的发展来看,美国和德国在世界处于领先的地位,日本发展最快,中国有很大差距。
本文从用电火花加工方法加工微凹坑和用微铣削方法加工微小零件两方面描述了微细加工技术的实际应用。
关键词:微细加工;电火花;微铣削1微细加工技术简介及国内外研究成果1.1微细加工技术的概念微细加工原指加工尺度约在微米级范围的加工方法。
在微机械研究领域中,从尺寸角度,微机械可分为1mm~10mm的微小机械,1μm~1mm的微机械,1nm~1μm的纳米机械,微细加工则是微米级精细加工、亚微米级微细加工、纳米级微细加工的通称。
广义上的微细加工,其方式十分丰富,几乎涉及现代特种加工、微型精密切削加工等多种方式,微机械制造过程又往往是多种加工方法的组合。
从基本加工类型看,微细加工可大致分为四类:分离加工——将材料的某一部分分离出去的加工方式,如分解、蒸发、溅射、切削、破碎等;接合加工——同种或不同材料的附和加工或相互结合加工方式,如蒸镀、淀积、生长等;变形加工——使材料形状发生改变的加工方式,如塑性变形加工、流体变形加工等;材料处理或改性和热处理或表面改性等。
微细加工技术曾广泛用于大规模集成电路的加工制作,正是借助于微细加工技术才使得众多的微电子器件及相关技术和产业蓬勃兴起。
目前,微细加工技术已逐渐被赋予更广泛的内容和更高的要求,已在特种新型器件、电子零件和电子装置、机械零件和装置、表面分析、材料改性等方面发挥日益重要的作用,特别是微机械研究和制作方面,微细加工技术已成为必不可少的基本环节。
2011 年春季学期研究生课程考核(读书报告、研究报告)考核科目:微细超精密机械加工技术原理及系统设计学生所在院(系):机电工程学院学生所在学科:机械设计及理论学生姓名:杨嘉学号:10S008214学生类别:学术型考核结果阅卷人微细加工技术概述及其应用摘要微细加工原指加工尺度约在微米级范围的加工方法,现代微细加工技术已经不仅仅局限于纯机械加工方面,电、磁、声等多种手段已经被广泛应用于微细加工,从微细加工的发展来看,美国和德国在世界处于领先的地位,日本发展最快,中国有很大差距。
本文从用电火花加工方法加工微凹坑和用微铣削方法加工微小零件两方面描述了微细加工技术的实际应用。
关键词:微细加工;电火花;微铣削1微细加工技术简介及国内外研究成果1.1微细加工技术的概念微细加工原指加工尺度约在微米级范围的加工方法。
在微机械研究领域中,从尺寸角度,微机械可分为1mm~10mm的微小机械,1μm~1mm的微机械,1nm~1μm的纳米机械,微细加工则是微米级精细加工、亚微米级微细加工、纳米级微细加工的通称。
广义上的微细加工,其方式十分丰富,几乎涉及现代特种加工、微型精密切削加工等多种方式,微机械制造过程又往往是多种加工方法的组合。
从基本加工类型看,微细加工可大致分为四类:分离加工——将材料的某一部分分离出去的加工方式,如分解、蒸发、溅射、切削、破碎等;接合加工——同种或不同材料的附和加工或相互结合加工方式,如蒸镀、淀积、生长等;变形加工——使材料形状发生改变的加工方式,如塑性变形加工、流体变形加工等;材料处理或改性和热处理或表面改性等。
微细加工技术曾广泛用于大规模集成电路的加工制作,正是借助于微细加工技术才使得众多的微电子器件及相关技术和产业蓬勃兴起。
目前,微细加工技术已逐渐被赋予更广泛的内容和更高的要求,已在特种新型器件、电子零件和电子装置、机械零件和装置、表面分析、材料改性等方面发挥日益重要的作用,特别是微机械研究和制作方面,微细加工技术已成为必不可少的基本环节。
表面微细加工技术简介一、表面微细加工技术●表面技术的一个重要组成部分●微电子工业重要的工艺技术基础●工艺精度决定了集成电路的特征尺寸●微米量级、亚微米量级、纳米量级●微型传感器、微执行器(微马达、微开关、微泵等)、微型机器人、微型飞机、微生物化学芯片等表面微细加工技术:●光刻加工电子束加工离子束加工激光束微细加工●超声波加工微细电火花加工电解加工电铸加工1.1 光刻加工●光刻加工●复印图像+化学腐蚀●广泛应用平面器件和集成电路●光刻三要素:光刻胶、掩膜版和光刻机●光刻胶又叫光致抗蚀剂,它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体●光刻胶受到特定波长光线的作用后,导致其化学结构发生变化,使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变光刻加工步骤: 1、涂胶、前烘2、曝光3、显影、坚膜(形成窗口)4、腐蚀或刻蚀5、沉积(形成电路)6、去胶曝光:对光刻胶膜进行选择性光化学反应,曝光部分改变在显影液的溶解性光刻胶的种类:●正胶:辐照后溶解性增加分辨率高,在超大规模集成电路工艺中,一般采用正胶●负胶:辐照后溶解性降低分辨率差,适于加工线宽≥3 m的线条曝光时影响分辨率的主要因素:1、掩膜版和光刻胶膜的接触情况2、曝光线平行度3、光的衍射、反射和散射4、光刻胶膜的质量和厚度5、曝光时间6、掩膜版的分辨率和质量曝光方式:●接触式:掩膜与胶膜贴紧曝光●分辨率高,胶膜和掩膜易磨损●低分辨率器件生产>5 μm●接近式:掩膜与胶膜有40μm间隙●避免污损,衍射造成分辨率差●投影式复印法:通过透镜系统使掩膜版图形缩小●精度依赖于光学系统,近紫外光波长(0.35-0.4 μm )●加工极限0.4μm突破光刻极限: 采用短波长光源曝光●深紫外曝光技术(0.2~0.35μm )●合理选择激光的激发物,KrF(248nm), ArF(193nm)●X射线曝光技术(零点几纳米)●线宽0.1 μm●位置对准困难,需防护严格●准分子激光光刻技术●线宽0.2 μm●精确控制剂量方面有待进一步提高腐蚀/刻蚀:●湿法刻蚀:利用酸碱溶液作为腐蚀剂化学反应●优点:选择性好、重复性好、设备简单、成本低●缺点:钻蚀严重、对图形的控制性较差●干法刻蚀:●等离子体腐蚀:利用强电场下气体辉光放电产生的活性基与被腐蚀胶膜发生化学反应,产生挥发性气体而去除选择性好、对衬底损伤较小,但各向异性较差●离子腐蚀:利用具有一定动能的惰性气体的离子轰击集体表面,离子束腐蚀和溅射腐蚀(物理过程)●反应离子刻蚀(RIE:Reactive Ion Etching):离子轰击的物理效应和活性离子的化学效应结合具有前两者优点,同时各向异性和选择性应用最广泛的主流刻蚀技术新一代光刻技术:●接触-接近式→反射投影式→步进投影式→步进扫描式●436nm ~365nm(汞弧灯)→248nm (KrF准分子激光源)●利用光刻印刷细微图形已接近极限,50nm及以下,光学光刻将被其它新技术取代:●X射线光刻技术(XRL)●极紫外光刻技术(EUVL)●电子束投影光刻技术●离子束投影光刻技术●激光辅助直接刻印法(LADI)X射线光刻技术(XRL)●解决100nm以下光刻节点最现实的技术●光源波长0.7-1.3nm●缺点:掩膜衬底的机械性能(已获得较大突破)极紫外光刻技术(EUVL)——软X射线光刻●极紫外光源波长:10-14nm●物质吸收严重,反射光学系统●Mo、Si组成多层膜对13nm有较高的反射系数●若能得到应用,有可能解决≤50nm的光刻技术激光辅助直接刻印法(LADI)●2002年6月,美国普林斯顿大学研制的一种在硅片上制造出更精细结构的新技术●带有待压印线路图的石英压印模●将模子直接压印在硅片上,施加五千万分之一秒的大功率激光脉冲,使硅熔化后,按照模子的图案凝固,●可印出10nm的线路图,四百万分之一秒●《Science》杂志评论:该工艺可维持芯片小型化进程,摩尔定律在接下来的20年里可能仍然有效1.2 电子束加工工作原理:真空条件下,利用电流加热阴极发射电子束,经控制栅极初步聚焦后,由加速阳极加速,通过透镜聚焦系统进一步聚焦,使能量密度集中在直径1~10μm斑点内。
表面微细加工技术微细加工技术结合了超精增亮和超精抛光两项革新技术,能够有选择性地保留表面的微观结构,以提高表面的摩擦和滑动性能(表面技术),以机械化和自动化取代传统的手工抛光,提高表面的美学功能。
这种微细加工技术应用于切削刀具、冲压和锻造工具,航空、汽车、医疗器械、塑料注射模具等机械零件的表面处理,能够极大地改善零件表面的性能。
微细加工技术采用全自动方式对金属零件表面进行超精加工,通过一种机械化学作用来清除金属零件表面上1~40μm的材料,实现被加工表面粗糙度达到或者好于ISO标准的N1级的表面质量。
微细加工技术主要应用于超精抛光和超精增亮这两个领域。
超精抛光使传统的手工抛光工艺自动化而超精增亮则生成新的表面拓扑结构。
纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的技术。
纳米科技现在已经包括纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米化学等学科。
从包括微电子等在内的微米科技到纳米科技,人类正越来越向微观世界深入,人们认识、改造微观世界的水平提高到前所未有的高度。
我国著名科学家钱学森也曾指出,纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点,会是一次技术革命,从而将引起21世纪又一次产业革命。
•光刻是一种以光复印图形和材料腐蚀相结合的表面精密加工技术。
前者是使图形复印到基片表面的光刻胶上,后者是把图形刻蚀到基片表面的各层材料(如Si02、Si3N4、多晶硅、铝等)上。
光刻胶上图形的复印是通过曝光和显影完成的。
限制图形重复性及分辨率的主要因素,是图形加工过程中所涉及到的物理和化学问题。
•在集成电路生产中,要经过多次光刻。
虽然各次光刻的目的要求和工艺条件有所不同,但其工艺过程是基本相同的。
光刻工艺一般都要经过涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀和去胶7个步骤。
•涂胶就是在SiO2或其他薄膜表面涂一层粘附良好、厚度适当、厚薄均匀的光刻胶膜。
涂胶前的基片表面必须清洁干燥。
生产中最好在氧化或蒸发后立即涂胶,此时基片表面清洁干燥,光刻胶的粘附性较好。
材料表面微细加工技术综述摘要: 详细阐述了微加工工艺以及近几年内国际上开发的一些新的加工技术,如电化学微加工,微细电火花加工,电解加工等,重点提及微细电火花加工技术,并提出了目前这些方法中存在的缺陷及解决方法。
关键词微细加工技术; 微细电火花加工Abstract: Silicon micro-processing technology and other micro-processing technologies developed in recent years, such as micro-chemical micromachining,micro-EDM, electro-machining and so on, and main describe the technology of micro-EDM,Finally some disadvantages about those technologies were put forward. Key words: micro-processing technology, micro-EDM.1.引言以集成电路为代表的,建立在硅平面工艺基础上的微电子技术的巨大成功引发了一场微小型化科技革命。
如今起源于20世纪80年代末期,建立在微电子技术基础上,把传感器、处理器和驱动器等集成在一个芯片上的微机电系统(MEMS: micro electro-mechanical systems)被视为微电子革命的继续而日益受到各等发达国家政府和科学家的高度重视,已经成为当今国际高技术竞争的热点。
随着微机电系统的发展,微型制造技术作为实现MEMS技术的关键也开始引起世界发达国家的材料科学工作者和工业界的极大关注。
要想加工出精密的微机电器件, 必须要具备相应微细加工技术。
微细加工技术是MEMS技术的核心技术,是MEMS技术的关键和基础,也是MEMS技术研究中最活跃的领域。
《材料表面处理与工程实训》习题解答第1章材料表面处理的分类思考题1. 材料表面处理全面而确切的含意是什么?表面处理应该是指为满足特定的工程需求,使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能(或功能)的化学、物理方法与工艺,它以表面科学为理论基础,利用各种物理的、化学的、物理化学的、电化学的、冶金的以及机械的方法和技术,使材料表面得到我们所期望的成分、组织、性能或绚丽多彩的外观。
2. 举出您比较熟悉的一个产品对材料表面处理技术的需求。
提示:随着材料表面处理技术的发展,基材不再局限于金属材料而是包揽金属、有机、无机、复合等材料领域。
对材料表面性能的要求也从一般的装饰防护拓展到机、电、光、声、热、磁等多种特种功能和综合功能领域。
举出一例。
3. 在您所接触的日常生活用品中,哪一件制品的表面处理您最喜欢,为什么?您能说出它的表面是怎样处理的吗?提示:学习用品、通讯工具、交通工具等。
4. 在您所接触的日常生活用品中,有哪一件您认为如果能在表面处理上作一些改进,大家就会更喜欢它?您对它的改进有具体设想吗?提示:学习用品、通讯工具、交通工具等。
5. 什么是表面改性?什么是表面加工?二者有什么区别?表面改性——用机械、物理和化学的方法,改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。
表面加工——通过物理化学方法使金属表面的形貌发生改变,但不改变金属表面的金相组织和化学成分,如:表面微细加工、抛光、蚀刻、整体包覆。
区别:表面加工不改变金属表面的金相组织和化学成分;表面改性改变金属表面的金相组织和化学成分。
第2章材料表面处理的理论基础思考题1.什么是清洁表面,什么是实际表面,二者具有怎样的研究意义?清洁表面是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面。
这种清洁表面的化学组成与体内相同,但周期结构可以不同于体内。
在材料实际应用过程中,材料表面是要经过一定加工处理(切割、研磨、抛光等),材料又在大气环境(也可能在低真空或高温)下使用。