为什么硅是理想的微机械结构材料
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发布时间：2022-04-24 00:58
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时间：2023-10-16 17:49
在当前的机械制造技术中，微机械制造工艺属于精度极高的生产体系，其生产精度能够达到微米级别。
该技术最早就是从硅基电路生产技术所中所脱离出来的，该技术的应用对于某些行业的制造发展来说，起到了至关重要的作用。
下文主要针对微机械制造工艺以及应用进行了全面详细的探讨。
一、微机械制造工艺及应用
微机械蚀刻技术
微机械生产技术在集成电路生产的使用过程中，相应的加工工艺实际上只需要对于深度在10微米左右的硅片表面加以考虑，但是在对于微机械结构元件进行加工的过程中，必须要完全穿越整个硅片的厚度进行三维式的加工。
同时，依据所使用的蚀刻剂不同，所使用的蚀刻方式也分为湿法蚀刻、干法蚀刻。
在干法蚀刻的过程中，主要是采取各向同性的蚀刻方式，在有需要的情况下，也可以各向异性蚀刻;而湿法蚀刻，实际上就是在蚀刻剂为液体的情况下称之为湿法蚀刻。
在执行各向异性蚀刻工作的过程中，由于单晶硅的原子结构的复杂原因，导致晶面所呈现出的腐蚀速率有着较大的差异性，而在对于晶面的硅衬底采取各项异性腐蚀措施时，会直接沿着晶面停蚀，而面与面之间将会形成一个54.75°的夹角。
而在对于这类型的蚀刻速度以及结晶面所存在的关系加以利用之后，能够促使硅衬底得以加工出多种不同形式的结构。
2.硅表面微机械制造工艺
硅表面微机械制造工艺是微机械器件完全制作在晶片表面而不穿透晶片表面的一种加工技术。
一般来讲，微机械结构常用薄膜材料层来制作，常用的薄膜层材料有：多晶硅、氮化硅、氧化硅、磷硅酸盐玻璃(PSG)、硼硅酸玻璃(BPSG)和金属。
为了制造复杂的微结构，这种薄膜层采用PVD或CVD方法在硅片上沉积，并利用光刻工艺和化学或物理腐蚀工艺来进行结构制造。
在这里，牺牲层起了非常重要的作用。
牺牲层的作用就是在连续加工形成结构层的过程中使结构层与衬底隔开。
牺牲层厚度一般为1一2μm，但也可以更厚些。
沉积后，牺牲层被腐蚀成所需形状。
利用表面微机械制造工艺，可以制造悬式结构，如微型悬臂梁、悬臂、微型桥和微型腔等。
3.LIGA工艺
LIGA工艺本身是属于一种通过X光射线进行三维微结构加工的微机械技术，在这一技术之中，实际上包含了X光深度同步辐射光蚀刻、电铸成型、注塑成型这三个主要的工艺步骤。
而LIGA技术本身实际上就是对于平面IC工艺中所涉及到光刻技术加以借鉴，但是相较而言，LIGA技术对于材料加工过程中所呈现出的深宽要远远大于标准IC生产技术中的薄膜亚微米光刻技术参数。
同时，所能够加工的厚度，也要高于平面工艺典型值2μm的标准;此外，LIGA工艺还可以有效的针对非硅材料执行三维微细加工工作，并且其中所能够使用的材料也更加的广泛。
LIGA技术在微机械加工体系中的应用，有效的推动了MEMS技术本身得以在生产行业中迅速的推广和发展。
4.准LIGA技术
LIGA技术在实际使用的过程中，所呈现出的成本需求较高，并且其中的工艺技术也极为复杂。
为了能够最大限度的避免使用同步辐射光所产生的昂贵成本，可以使用近似的紫外线作为代替性的光源。
而这也就是一种类似于LIGA技术的微机械工艺，被称作是LIGA技术，同样能够呈现出深宽比较大大三维微结构加工。
具体加工工艺应用如下：
l)在硅衬底位置上，通过溅射的方式，使得其表面能够形成一层厚度大约在230nm的钨化钦薄膜。
而使用该材料的主要原因是由于，钨化钦所呈现出的附着性极为优秀，并且还能够当做是光刻过程中起到隔离效果的阻挡层。
而在经过了相应的清洗处理之后，还可以再次镀上一层厚度大约在200nm左右的金，这一层材料主要作为预镀层使用。
2)接着，多次利用旋涂方法，得到约30μm的正性抗蚀层。
3)掩模与抗蚀层密切接触曝光，可得到陡峭的轮廓。
4)光源一般用高压汞灯。
曝光后在碱性显影液中显影，水洗并小合烘干，可得到深宽比大于7的微结构。
5)对光刻后的微结构进行电镀，可得到三维金属微结构，可用湿式蚀刻法或反应性离子蚀刻除去预镀层的金和钨化钦。
5.传统制造工艺
l)超精密机械制造工艺
超精密机械制造是用硬度高于工件的工具，对工件材料进行切削加工。
目前所用的工具有车刀、钻头、铣刀等，如采用钻石刀具微切削技术可加工直径Φ25μm的轴，表面粗糙度值很低;采用微钻头工直径为Φ2.5μm的孔;采用微细磨料加工可提高加工精度和工件表面的质量，加工单位可达0.01μm，表面粗糙度Rao0.005μm。
采用金属丝放电磨削加工可加工出外径Φ0.1mm的针头和口径Φ0.6mm的微细喷嘴。
2)特种加工工艺
(l)激光束加工。
激光发生器将高能量密度的激光进一步聚焦后照射到工件表面。
光能被吸收瞬时转化为热能。
根据能量密度的高低，可以实现打小孔、微孔、精密切削、加工精微防伪标记、激光微调、动平衡、打字、焊接和表面热处理。
(2)用隧道显微镜进行微细加工。
该加工方法是将扫描隧道显微镜技术用于分子级加工，其原理是基于量子力学中的隧道效应。
采用尖端极细(直径为纳米级)的金属探针作为电极，在真空中用压电陶瓷等微位移控制针尖和工件表面保持1～10μm的距离，并在探针和工件间加上较低的电压，则在针尖和工件微观表面间，本来是绝缘的势垒，由于量子力学中粒子的波动和电场的畸变，就会产生近场穿透的“隧道”电流，同时使探针相对于工件样品表面作微位移扫描，就可以观察物质表面单个原子或分子的排列状态和电子在表面的行为，获得单个原子在表面排列的信息。
(3)微细电火花加工。
微细电火花加工是在绝缘的工作液中通过工具电极和工件间脉冲火花放电产生的瞬时、局部高温来溶化和汽化蚀除金属，加工过程中工具与工件间没有宏观的切削力，只要控制精微的单个脉冲放电能量，配合精密微量进给就可以实现极微细的金属材料的去除加工，可加工微细的轴、孔、窄缝、平面、空间曲面等。
二、结语
综上所述，在经过了数十年的发展之后，微机械技术已经从以往单一的三维加工拓展，朝着系统集成的方向发展，从基础性的探索，开始进行实用化的研究。
而在未来的微机械生产技术价值研究上所涉及到的重点环节，就在于微三维立体敬爱工、微机械集成、微机械封装技术等。
总之，微机械技术的应用，对于我国高新技术产业的发展来说，起到了至关重要的推动作用。
参考文献
[1]王斌，常秋英，齐烨.激光表面织构化对45～#钢干摩擦特性的影响[J].润滑与密封.2013(12)
[2]袁义坤，赵增辉，王育平，郭钦贤.微机械制造技术发展及其应用现状[J].煤矿机械.2006(09)
[3]张帅，贾育秦.MEMS技术的研究现状和新进展[J].现代制造工程.2005(09)
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时间：2023-10-16 17:49
在当前的机械制造技术中，微机械制造工艺属于精度极高的生产体系，其生产精度能够达到微米级别。
该技术最早就是从硅基电路生产技术所中所脱离出来的，该技术的应用对于某些行业的制造发展来说，起到了至关重要的作用。
下文主要针对微机械制造工艺以及应用进行了全面详细的探讨。
一、微机械制造工艺及应用
微机械蚀刻技术
微机械生产技术在集成电路生产的使用过程中，相应的加工工艺实际上只需要对于深度在10微米左右的硅片表面加以考虑，但是在对于微机械结构元件进行加工的过程中，必须要完全穿越整个硅片的厚度进行三维式的加工。
同时，依据所使用的蚀刻剂不同，所使用的蚀刻方式也分为湿法蚀刻、干法蚀刻。
在干法蚀刻的过程中，主要是采取各向同性的蚀刻方式，在有需要的情况下，也可以各向异性蚀刻;而湿法蚀刻，实际上就是在蚀刻剂为液体的情况下称之为湿法蚀刻。
在执行各向异性蚀刻工作的过程中，由于单晶硅的原子结构的复杂原因，导致晶面所呈现出的腐蚀速率有着较大的差异性，而在对于晶面的硅衬底采取各项异性腐蚀措施时，会直接沿着晶面停蚀，而面与面之间将会形成一个54.75°的夹角。
而在对于这类型的蚀刻速度以及结晶面所存在的关系加以利用之后，能够促使硅衬底得以加工出多种不同形式的结构。
2.硅表面微机械制造工艺
硅表面微机械制造工艺是微机械器件完全制作在晶片表面而不穿透晶片表面的一种加工技术。
一般来讲，微机械结构常用薄膜材料层来制作，常用的薄膜层材料有：多晶硅、氮化硅、氧化硅、磷硅酸盐玻璃(PSG)、硼硅酸玻璃(BPSG)和金属。
为了制造复杂的微结构，这种薄膜层采用PVD或CVD方法在硅片上沉积，并利用光刻工艺和化学或物理腐蚀工艺来进行结构制造。
在这里，牺牲层起了非常重要的作用。
牺牲层的作用就是在连续加工形成结构层的过程中使结构层与衬底隔开。
牺牲层厚度一般为1一2μm，但也可以更厚些。
沉积后，牺牲层被腐蚀成所需形状。
利用表面微机械制造工艺，可以制造悬式结构，如微型悬臂梁、悬臂、微型桥和微型腔等。
3.LIGA工艺
LIGA工艺本身是属于一种通过X光射线进行三维微结构加工的微机械技术，在这一技术之中，实际上包含了X光深度同步辐射光蚀刻、电铸成型、注塑成型这三个主要的工艺步骤。
而LIGA技术本身实际上就是对于平面IC工艺中所涉及到光刻技术加以借鉴，但是相较而言，LIGA技术对于材料加工过程中所呈现出的深宽要远远大于标准IC生产技术中的薄膜亚微米光刻技术参数。
同时，所能够加工的厚度，也要高于平面工艺典型值2μm的标准;此外，LIGA工艺还可以有效的针对非硅材料执行三维微细加工工作，并且其中所能够使用的材料也更加的广泛。
LIGA技术在微机械加工体系中的应用，有效的推动了MEMS技术本身得以在生产行业中迅速的推广和发展。
4.准LIGA技术
LIGA技术在实际使用的过程中，所呈现出的成本需求较高，并且其中的工艺技术也极为复杂。
为了能够最大限度的避免使用同步辐射光所产生的昂贵成本，可以使用近似的紫外线作为代替性的光源。
而这也就是一种类似于LIGA技术的微机械工艺，被称作是LIGA技术，同样能够呈现出深宽比较大大三维微结构加工。
具体加工工艺应用如下：
l)在硅衬底位置上，通过溅射的方式，使得其表面能够形成一层厚度大约在230nm的钨化钦薄膜。
而使用该材料的主要原因是由于，钨化钦所呈现出的附着性极为优秀，并且还能够当做是光刻过程中起到隔离效果的阻挡层。
而在经过了相应的清洗处理之后，还可以再次镀上一层厚度大约在200nm左右的金，这一层材料主要作为预镀层使用。
2)接着，多次利用旋涂方法，得到约30μm的正性抗蚀层。
3)掩模与抗蚀层密切接触曝光，可得到陡峭的轮廓。
4)光源一般用高压汞灯。
曝光后在碱性显影液中显影，水洗并小合烘干，可得到深宽比大于7的微结构。
5)对光刻后的微结构进行电镀，可得到三维金属微结构，可用湿式蚀刻法或反应性离子蚀刻除去预镀层的金和钨化钦。
5.传统制造工艺
l)超精密机械制造工艺
超精密机械制造是用硬度高于工件的工具，对工件材料进行切削加工。
目前所用的工具有车刀、钻头、铣刀等，如采用钻石刀具微切削技术可加工直径Φ25μm的轴，表面粗糙度值很低;采用微钻头工直径为Φ2.5μm的孔;采用微细磨料加工可提高加工精度和工件表面的质量，加工单位可达0.01μm，表面粗糙度Rao0.005μm。
采用金属丝放电磨削加工可加工出外径Φ0.1mm的针头和口径Φ0.6mm的微细喷嘴。
2)特种加工工艺
(l)激光束加工。
激光发生器将高能量密度的激光进一步聚焦后照射到工件表面。
光能被吸收瞬时转化为热能。
根据能量密度的高低，可以实现打小孔、微孔、精密切削、加工精微防伪标记、激光微调、动平衡、打字、焊接和表面热处理。
(2)用隧道显微镜进行微细加工。
该加工方法是将扫描隧道显微镜技术用于分子级加工，其原理是基于量子力学中的隧道效应。
采用尖端极细(直径为纳米级)的金属探针作为电极，在真空中用压电陶瓷等微位移控制针尖和工件表面保持1～10μm的距离，并在探针和工件间加上较低的电压，则在针尖和工件微观表面间，本来是绝缘的势垒，由于量子力学中粒子的波动和电场的畸变，就会产生近场穿透的“隧道”电流，同时使探针相对于工件样品表面作微位移扫描，就可以观察物质表面单个原子或分子的排列状态和电子在表面的行为，获得单个原子在表面排列的信息。
(3)微细电火花加工。
微细电火花加工是在绝缘的工作液中通过工具电极和工件间脉冲火花放电产生的瞬时、局部高温来溶化和汽化蚀除金属，加工过程中工具与工件间没有宏观的切削力，只要控制精微的单个脉冲放电能量，配合精密微量进给就可以实现极微细的金属材料的去除加工，可加工微细的轴、孔、窄缝、平面、空间曲面等。
二、结语
综上所述，在经过了数十年的发展之后，微机械技术已经从以往单一的三维加工拓展，朝着系统集成的方向发展，从基础性的探索，开始进行实用化的研究。
而在未来的微机械生产技术价值研究上所涉及到的重点环节，就在于微三维立体敬爱工、微机械集成、微机械封装技术等。
总之，微机械技术的应用，对于我国高新技术产业的发展来说，起到了至关重要的推动作用。
参考文献
[1]王斌，常秋英，齐烨.激光表面织构化对45～#钢干摩擦特性的影响[J].润滑与密封.2013(12)
[2]袁义坤，赵增辉，王育平，郭钦贤.微机械制造技术发展及其应用现状[J].煤矿机械.2006(09)
[3]张帅，贾育秦.MEMS技术的研究现状和新进展[J].现代制造工程.2005(09)
