精密工程与纳米技术王先逵清华大学精密仪器与机械学系 制造工程研究所 2001.11精密加工和超精密加工技术 微细加工技术 纳米技术与微型机械精密加工和超精密加工技术精密加工的发展阶段精密工程的范畴精密工程是精密加工和超精密加工技术 的总称。精密加工是指加工精度为10.1微米、表 面粗糙度为Ra0.10.01微米的加工技术 。超精密加工是指加工误差小于0.1微米， 表面粗糙度小于Ra0.025微米的加工技术 ，又称为亚微米加工技术。超精密加工技术目前，大多数学者都将超精密加工技术 分为两大类： 机械超精密加工技术 非机械超精密加工技术机械超精密加工技术金刚石刀具超精密切削金刚石微粉砂轮超精密磨削精密研磨和抛光其它大型光学金刚石车床（LODTM) 美国LLN实验室，加工直径1625mm,长度508mm,重量1360公斤盒式超精密立式车床1. 用低热变形复合材料制成的拖板；2. 淋浴冷却液； 3. 陶瓷滚珠死杠；4. 对称热源装置 ；5. 冷却液喷射装置；6. 切屑回收装置；7. 热变形补偿微位移工作台；8. 卡盘附件；9. 切屑回收装置；10. 油温控制装置；11. 隔振功能和水平调整功能装置；12. 空气静压主轴 ；13. 冷却散热片；14. 热对称壳体结构；15. 恒温循环装置；16. 两个热对称圆导轨；17. 热源隔离装置；18. 热流控制功能和衰减能调整功能装置；19. 滚珠丝杠驱动用电子冷却 轴；20. 热对称三点支撑结构 非机械超精密加工技术主要指微细电火花加工、微细电解加工 、微细超声加工、电子束加工、离子束 加工、激光束加工等非传统加工的精密 化、微型化。可以很明显地看出，所谓非机械超精密 加工技术实际上就是超精密特种加工， 这对特种加工而言是一个极好的机遇。非机械超精密加工技术不仅包含了通常 的特种加工技术，而且包含了集成电路 制作的一些微细加工技术。微细加工技术微细加工技术的概念 微细加工技术是指制造微小尺寸零件或 微小尺寸的加工技术。 它是在半导体集成电路制造技术的基础 上形成并发展的，是大规模集成电路和 计算机技术的基础。 是信息时代、微电子时代、光电子时代 的关键制造技术之一。 微细加工方法机械微细加工方法 非机械微细加工方法能束加工电铸光刻和立体光刻成形半导体微细加工等等微细加工技术微细超声加工微细电解加工微细电火花加工电火花电解超声加工立体光刻成形光刻电铸加工能束加工半导体微细加工体硅加工 硅表面 微加工辐射光刻,电铸,模铸(X射线光刻) 准辐射光刻,电铸,模铸(紫外光刻)离子束加工电子束加工激光束加工各向异性腐蚀自停止腐蚀深层离子腐蚀电化 学 腐蚀等离子及 反应离子刻蚀牺牲层 腐蚀淀积集成电路制作技术一块集成电路芯片的主要工艺方法窗口扩散层镀膜层基片外延层氧化膜a) 外延生长 b) 氧化c) 光刻 d) 选择扩散 e) 真空镀膜图3.1 集成电路芯片的制作工艺外延生长是在半导体晶片表面沿原来的晶体结构 晶方向通过气相法（化学气相沉积）生 长出一层厚度为10m以内的单晶层，以 提高晶体管的性能，称之为外延生长。 外延生长层的厚度及其电阻率由所制作 的晶体管性能决定。 氧化是在外延生长层表面通过热氧化法生 成 氧化膜，该氧化膜与晶片附着紧密，是良 好的绝缘体，可作绝缘层防止短路和电容 绝缘介质。光刻即刻蚀，是在氧化膜上涂覆一层光致 抗蚀剂，经图形复印曝光（或图形扫 描曝光）、显影、刻蚀等处理后，在 基片上形成所需的精细图形，在端面 上形成窗口。选择扩散基片经外延生长、氧化、光刻后，置于 惰性气体或真空中加热，并与合适的杂 质（如硼、磷等）接触，则窗口处的外 延生长表面将受到杂质扩散，形成 13m深的扩散层，其性质和深度取决 于杂质种类、气体流量、扩散时间和扩 散温度等因素。选择扩散后就可形成半 导体的基区（P结）或发射区（N结）。真空蒸镀在真空容器中，加热导电性能良好的金、 银、铂等金属，使之成为蒸气原子而飞溅 到芯片表面，沉积形成一层金属膜，是为 真空蒸镀，完成集成电路中的布线和引线 准备，再经过光刻，即可得到布线和引线 。 微细加工的发展微细加工的发展出现了超微细加工，它们都以电子束、离子束和激光束三束加工为基础，采用沉积、刻蚀、溅射、蒸镀等加工手段进行各种处理。 目前微细加工向着高深宽比三维工艺方向发展。 纳米技术与微型机械纳米技术纳米技术通常是指纳米级0.1nm100nm的 材料、产品设计、加工、检测、控制等 一系列技术。它是科技发展的一个新兴领域，它不是 简单的“精度提高”和“尺寸缩小”， 而是从物理的宏观领域进入到微观领域 ，一些宏观的几何学、力学、热力学、 电磁学等都不能正常描述纳米级的工程 现象与规律。 纳米技术主要包括： 纳米材料 纳米级精度制造技术 纳米级精度和表面质量检测 纳米级微传感器和控制技术 微型机电系统 纳米生物学等 微型机电系统（微型机械）微型机械可以认为是一个产品其特征尺寸范围应在1m1mm，考虑到当前的技术水平，尺寸在110mm的小型机械和将来利用生物工程和分子组装可实现的1nm1m的纳米机械或分子机械，均可属于微型机械范畴。 微型机电系统力光声温度化学其他传感器运动接 口其他微型机电系统执行器模拟信号处理数字信号处理能量信息其他感测量控制量通讯微 型 电 机微型阀微型泵 微型电机微型飞机微型燃气涡轮发动机微推进器微型机电系统的发展前沿 微型机械学研究 微型结构加工技术（高深宽比多层微结构 的表面加工和体加工技术） 微装配微键合微封装技术 微测试技术 典型微器件、微机械的设计制造技术等。 谢 谢 ！