先进制造技术(4课)_先进制造技术第四
先进制造技术(4课)由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“先进制造技术第四”。
五、光刻蚀技术(P166)两个重要概念 什么叫集成电路? 用半导体晶体材料，经平面工艺加工制造，将电路的元件、器件和互连线集成在基片内部、表面或基片之上的微小型化电路或系统。英文简称IC。
1958年美国开始研制混合集成电路，即将微型电阻、电容、晶体二极管和晶体三极管等装配到一个绝缘基片上，用基片上的金属化线互连实现某种功能的电路组件。什么叫光刻技术? 集成电路制造中利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。
利用照相复制与化学腐蚀相结合的技术，在工件表面制取精密、微细和复杂薄层图形的化学加工方法。利用光致抗蚀剂(或称光刻胶)感光后因光化学反应而形成耐蚀性的特点，将掩模板上的图形刻制到被加工表面上。
1.光刻原理
光刻蚀————就使用电磁波频谱中的光束或电子、X射线和离子等射线，将光致抗蚀剂(光刻胶)形成规定图形的微细加工方法。（1）集成电路光刻工艺过程：
a）硅片制备和氧化 b）涂敷感光胶 c)嚗光 d)显影 e)腐蚀氧化膜 f)除去感光胶
见下图
2.集成电路光刻工艺的一般过程
光刻工艺过程两大工序:掩膜制造和光刻蚀加工(1)掩膜制造
①绘制比原件实际尺寸大100—500倍的放大图。
②用精缩照像机把该图缩小到元件尺寸的十倍左右，③再利用分步重复照像机进一步缩到和元件尺寸相同的掩膜(称之为母掩膜)，④母掩膜经翻拍复印成工作(光刻)掩膜，制作电路时只用工作掩膜。(2)光刻蚀加工
光刻工艺过程包括以下几个步骤： 1)涂胶
把光致抗蚀剂(光刻胶)涂敷在氧化膜(Si02)上的过程。
正性胶经曝光后，被光照射过的部分难于被显影液溶解，故显影图形中未被光照射过的部分形成窗口。负性胶则相反¡£
2)曝光
由光源发出的光束(或光化射线，如电子束、X射线等)经掩膜在光刻胶上成像，使聚焦成细小的束斑直接照射在光刻胶上的过程。曝光光源
发展了---电子束、离子束、X射线。分辨率可达0.001～0.006μm。
3)显影与烘片
显影----利用曝光区与未曝光区光刻胶溶解度不同，在特定溶剂中把曝光图呈现出来的处理过程。
烘干----为提高抗蚀剂的强度,对显影后的片子的清洗过程。
4)腐(刻)蚀
获得氧化膜(Si02膜等，又称保护膜)图形的最终工序是图形刻蚀。
它是利用化学或物理的刻蚀方法，将没有抗蚀剂(感光胶)保护部分的氧化膜(SiO2)去除的一种微细加工方法。
刻蚀方法分为
湿刻(或称腐蚀)法---(化学)把硅片浸泡在一定的化学试剂或试剂溶液中，使没有被抗蚀剂掩蔽的那一部分薄膜表面与试剂发生化学反应而被除去,是传统的刻蚀方法。
干刻蚀法---(物理)如等离子刻蚀：利用气压为10～1000帕的特定气体（或混合气体）的辉光放电，产生能与薄膜发生离子化学反应的分子或分子基团，生成的反应产物是挥发性的。它在低气压的真空室中被抽走，从而实现刻蚀。图形的最小特征尺寸比极限分辨率大得多时，用湿刻； 图形的最小特征尺寸接近极限分辨率时，采用干刻蚀。5)剥膜与检查
剥膜---清除残留腐蚀液后用剥膜液去除光刻胶的处理。检查---剥膜后要对刻蚀图形进行的外观、线条尺寸和断面形状及物理和电子特性的检查。
六、电子束加工与光刻技术(P168)1.电子束的热效应
电子束的热效应-----电子枪(见下图)产生的电子在真空室内经电磁透镜聚焦成小的束斑(一般束流横截面直径为φ2.5一lOμm)，同时在高电压正电极作用下形成高能量密度的高速电子束流。
当它冲击到工件材料上时，在几分之一微秒的瞬间，入射电子与工件原子相互碰撞，使原子振动加快而产生热，电子束传递给工件的能量大部分都转换成热能。由于电子束的能量密度高，作用时间短，所产生的热量在未来得及传导扩散前已使工件材料局部熔化、气化，甚至蒸发。这种物理现象称电子束的热效应。2.电子束加工
2铁的溶化温度为1536C°，其单位表面气化所需能量为63kW／cm，2钨的熔化温度高达3410℃，其单位表面气化所需能量也只有100kW/cm；
2在一定条件下电子束照射在工件表面的功率密度为气化所需功率的50倍(为50×100kW/cm)，足以使熔点很高的钨瞬时气化和蒸发。
利用电子束热效应进行电子束加工时，可通过调整功率密度实现不同的加工: 1）在低功率密度电子束照射时，工件可达到材料熔化温度，材料的气化与蒸发很小，故用在电子束熔炼工艺中。见下图：
2）在中等功率密度电子束照射时，工件材料熔化、气化、蒸发都有，因此用于电子束焊接工序。如下图所示。
制作集成电路时，电子束焊接适合于微区焊接，易于自动化，可焊接的工件材料广泛、无污染，可达到高质量的焊接特性。
电子束焊接的缺点是要求在真空中进行。
3）在高等功率密度电子束照射照射时，以气化、蒸发为主，所以主要用于电子束打孔和刻槽加工工序。如下图所示。
在集成电路薄膜元件制作中，采用电子束蒸发法可获得高纯度的沉积薄膜。
3.电子束化学效应
低功率密度电子束照射的工件表面时，入射的电子与高分子材料分子碰撞，使它的分子链切断或重新聚合，引起高分子材料的化学性质和分子量的变化，这种现象称为电子束的化学效应。4.电子束光刻
利用电子束化学效应可进行电子束光刻。（1）电子束写图
什么叫写图？
利用图形发生器，用光束或电子束、离子束在抗蚀剂上绘制图形的曝光方法称为写图(Writing)，它主要用于掩膜或基片图形制作工序。
电子束写图是目前最好、最通用的高分辨率图形发生技术。它主要用于制作掩膜图形，也可完成基片图形的写图。
电子束写图所使用的薄层(≤100A层厚)抗蚀剂以甲基丙烯酸甲酯(PMMA)胶为常用
当达到一定电压的电子束照射到层厚0．3～lμm的PMMA(感光胶)胶上，照射剂量达到一定程度时，PMMA胶的大分子被切割成分子量为5000左右。分子量减小后使PMMA胶的溶解速度发生变化。结果掩膜或基片上的PMMA胶层由未照射区和照射区组成分子量不同的“潜象”。
选用合适的显影液，利用不同分子量溶解速度不同的原理把写出的图象显示出来，即完成掩膜或基片图形的写图。
由于电子束写图系统工作柔性大(对图形变化有很好的适应性)，又能连续扫描写图,因此它成为精密微细图形写图的主要设备。
（2）电子束复印
什么叫复印技术? 光刻胶曝光获取基片(或掩膜)图形的光刻工艺，称为复印(Printing)。
利用电子束作光源也可进行图形复印。如电子阴极投影系统，利用石英掩膜可以复印出基片或工作掩膜。
电子束复印可以达到0．5μm的图形分辨率，有较高的生产率。
电子束加工与光刻的工艺特点 1)电子束加工的材料广泛，可以加工金属材料、非金属材料和工程塑料。
它能完成如淬火硬化、熔炼、塑料聚合、焊接、打孔、铣槽和蚀刻等众多加工工序。
如对0．1—1μm厚的薄板打孔只需30微秒至数秒即可完成，即使是5mm厚的板材也只需数十秒即可完成打孔。
由于电子束加工时间短、无污染，对加工表面热效应影响小，故表面层物理化学性质改变少。
2)电子束光刻可以实现精细图形的写图或复印。
电子束光刻目前仍是大规模与超大规模集成电路的掩膜或基片图形光刻的重要手段。
电子束曝光装置通过电场或磁场能方便地完成电子束聚焦和移动电子束的照射点位置，它对控制信号的响应速度快，便于实现自动化控制，且生产率高。
七、离子束加工（P171）
定义：利用惰性气体或其他元素的离子在电场中加速成高速离子束流，以实现各种微细加工的方法称为离子束加工。是加工分辨率很高的一种新兴微细加工技术。
-9 应用：在亚微米甚至毫微米级（10m）精度的加工中能力广泛、大有发展前途。
已用于金刚石刀具的最终刃磨，集成电路的写图、复印，离子注入与各种处理，离子溅射、离子铣等加 工中。
能加工的工件材料有玻璃与陶瓷等各种金属与晶体材料等。什么叫离子？
由原子核及围绕着核运动的各层轨道电子组成的原子，失去外层电子后，就变成带正电荷的正(阳)离子，获得多余电子的原子带负电荷，称为负(阴)离子。为什么离子的质量远远大于电子的质量？它 的动能如何？
+ 举例：一个氩离子(Ar)的质量是电子质量的7．2万倍，故离子在电场中加速过程虽比电子慢，但一旦把它加速后，其动能就远远高于电子。注：物体因平动而具有的动能是它质量m和它的速度v的二次方的乘积的一半，即mv/2。
离子束是如何产生的？
离子束由离子枪产生，其方法是将中性原子经高温、强光或放射线照射、高速电子的撞击或放电作用而电离成离子。
考夫曼离子枪的工作原理是什么？
考夫曼离子枪是典型的离子簇射型离子源，其工作原理见下图
左图为考夫曼型离子源示意图，灼热的灯丝2发射电子，在阳极9的作用下电子向下方移动，同时受线圈4磁场的偏转作用，作螺旋运动前进。惰性气体氩从注入口3注入电离室10，在电子的撞击下被电离成等离子体，阳极9和引出电极(吸极)8上各有300个直径为0．3mm的小孔，上下位置对齐。在引出电极8的作用下，将离子吸出，形成300条准直的离子束，再向下则均匀分布在直径为50mm的圆面积上。
1.离子束加工的基本原理
和电子束加工基本类似，离子束加工也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之打到工件表面。不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千、数万倍。
由于离子束比电子束具有更大的撞击动能，它靠微观的机械撞击能量，而不是靠动能转化为热能来加工的。它的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。
撞击效应、溅射效应-----具有一定动能的离子斜射到工件材料(靶材)表面时，可以将表面的原子撞击出来，这就是离子的撞击效应和溅射效应。
见下图:
离子的注入效应----将工件直接作为离子轰击的靶材，如果离子能量足够大并垂直工件表面撞击时，离子就会钻进工件表面，这就是离子的注入效应。
见右图: 2.离子束加工的应用
离子束加工的应用范围正在日益扩大、不断创新。
目前用于改变零件尺寸和表面物理力学性能的离子束加工有：
用于从工件上作去除加工的离子刻蚀加工；
用于给工件表面添加的离子镀膜加工；
用于表面改性的离子注入加工 另外还有离子束写图与图形复印等。(1)刻蚀加工
原理:离子刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击溅射过程。当离子束轰击工件，入射离子的动量传递到工件表面的原子，传递能量超过原子间的键合力时，原子就从工件表面撞击溅射出来，达到刻蚀的目的。见下图
问: 为什么必须用惰性元素的离子 ? 答: 为了避免入射离子与工件材料发生化学反应。问: 为什么用氩气？
答: 因为氩气原子序数高，而且价格便宜，所以通常用氩离子进行轰击刻蚀。
刻蚀精度与速度：
-9 由于离子直径很小(约十分之几个纳米：10m)，所以离子刻蚀的过程是逐个原子剥离的，刻蚀的分辨率可达微米甚至亚微米级。
但离子刻蚀速度很低，剥离速度大约每秒一层到几十层原子。离子刻蚀应用
○ 用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上的沟槽，分辨率高，精度和加工一致性好。○ 加工非球面透镜能达到其它方法不能达到的精度。
○ 刻蚀高精度的图形，如集成电路、光电器件和光集成器件等微电子学器件的亚微米图形。
○ 用于致薄样品，进行表面分析，如用离子束刻蚀可以致薄月球岩石样品，从10μm致薄到10nm。
(2)离子附着加工 ○ 1）原理：
当离子束能量低到一定程度时，人射的离子与工件表面原子发生“非弹性碰撞”而附着在工件表面上。利用低能量的入射离子附着在工件表面的微细加工方法称为离子附着加工。○ 下面介绍一种用于钢表壳镀金的离子镀膜技术
○离子镀也称离子溅射辅助沉积，是用0．5～5 kev（ev——电子伏特）的氩离子同时轰击靶材和工件表面，○如下图所示，目的是为了增强膜材与工件基材之间的结合力，也可将靶材高温蒸发，同时进行离子镀。
2）离子镀膜特点：
离子镀膜附着力强、膜层不易脱落，其原因是：
首先是镀膜前离子以足够高的动能冲击基体表面，清洗掉表面的油污和氧化物，提高了工件表面的附着力。
其次是镀膜刚开始时，由工件表面溅射出来的基材原子，有一部分会与工件周围气氛中的原子和离子发生碰撞而返回工件。这些返回工件的原子与镀膜的膜材原子同时到达工件表面，形成了膜材原子和基材原子的共混膜层。
混合过渡层的存在，可以减少由于膜材与基材两者膨胀系数不同而产生的热应力，增强了两者的结合力，使膜层不易脱落，镀层组织致密，针孔气泡少。
3）离子镀技术应用
○ 离子镀用于镀制润滑膜、耐蚀膜、耐磨膜、装饰膜等。如在钢表壳或表带上镀呈金黄色氮化钛膜，它的反射率与18开金镀膜相近，其耐磨性和耐腐蚀性大大优于镀金膜和不锈钢，其价格仅为黄金的1／60。○ 离子镀装饰膜还用于工艺美术品的首饰、金笔套、餐具等的修饰上，其膜厚仅1．5～2μm。
○ 用离子镀方法在切削工具表面镀氮化钛、碳化钛等超硬层，可以提高刀具的耐用度。也用于处理齿轮滚刀、铣刀等复杂刀具。
（3）离子注入加工
1）原理
离子注入是采用5～500kev能量的离子束，直接轰击被加工材料。由于离子能量相当大，离子就钻进被加工材料的表面层，如下图所示。工件表面层含有注入离子后，改变化学成分，从而改变工件表面层的力学、物理性能。根据不同的目的选用不同的注入离子，如磷、硼、碳、氮等。2）特点及应用
①特点：
离子注入是向工件表面直接注入离子，它不受热力学限制，可以注入任何离子，且注入量可以精确控制，注入的离子是固溶在工件材料中，含量可达10％～40％，注入深度可达1 μm甚至更深。
②离子注入在半导体方面的应用
在国内外都很普遍。它是用硼、磷等“杂质”离子注入半导体，用以改变导电型式(P型或N型)和制造P—N结，制造一些通常用热扩散难以获得的各种特殊要求的半导体器件。
③改善金属表面性能
离子注入改善金属表面性能方面的应用正在形成一个新兴的领域。
利用离子注入可以改变金属表面的物理化学性能，制得新的合金，从而改善金属表面的抗蚀性能、抗疲劳性能、润滑性能和耐磨性能等。
④离子注入在光学方面可以制造光波导
例如对石英玻璃进行离子注入，可增加折射率而形成光波导。
⑤还用于改善磁泡材料性能、制造超导性材料等等,离子注入的应用范围在不断扩大，今后将会发现更多的应用。
(4)离子束写图与图形复印 1)离子束曝光的优点
可以提高曝光图形的分辨率和灵敏度。因为离子质量远大于电子，在固体中散射小并在基片上产生背散射作用弱，引起的邻近效应(参见下图)很小。能够描画线宽小于0．1μm的精密微细图形。
○由于离子质量大，颗粒大，射人抗蚀剂后受到的阻力也大，所以离子在抗蚀剂层内的射程比电子束内电子的射程要短，因此离子能量被抗蚀剂充分吸收，提高了抗蚀剂的灵敏度。
○使用相同的抗蚀剂，离子束曝光的灵敏度比电子束曝光的灵敏度高一个数量级以上。
○灵敏度提高，使曝光时间大为缩短，因此可把聚焦的离子束作为图形发生器的光源进行离子束写图。
2)离子束曝光的不足
(与电子束比较)电子束曝光是一项成熟的技术，离子束曝光尚在研究之中，由离子源引出的离子束不易实
-18现微细聚焦，目前还不可能像电子束那样获得数埃A(A,10m)的束径，离实用阶段还有一定的距离.（5）离子束加工其他特点
1)加工材料广泛，加工精度和表面质量高
-18 可以实现韧性和脆性材料的高精度加工，其加工精度可达0.0001m(dμ)至10m(nm)级，被加工面的表面粗糙度值小。
由于加工时几乎无热的影响，故可得到高质量的表面。
用离子溅射加工出的光学零件，其光学性能比其他方法加工的好。2)可完成多种微细加工工序
3)对易于氧化的材料可实现保护加工，加工后污染少。4)易于实现自动控制
先进制造论文Advanced Meaufacturing Technology----论PLC的近况和发展前景-----Viewing PLC’s Current Situation And Foreground摘要就全世界自动化市场的过去、现在和可......
标题：先进制造技术 题目：激光技术的应用学院：机械电气工程专业：学号：姓名：马向营09 机制 2009092503 摘要：激光是新一代光源目前在许多领域得到了广泛应用，伴随着科技的高速发展，激......
先进制造技术第一章．1.简述先进制造技术的产生背景。 2.先进制造技术的定义及特点是什么？ 3.简述先进制造技术的发展趋势。 第二章．1.简述FMS的定义。2.FMS由哪几部分组成？各有......
科学研究的含义：人们探索自然现象和社会现象的规律的一种认识过程。它是人们有目的、有计划、有意识、有系统地在前人已有认识的基础上，运用科学的方法，对客观事实加以掌握、分......
1、先进制造技术的发展趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化的方向发展。2、很多国家特别是美国把制定制造业发展战略列为重中之重，原因......
