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微细加工技术研究进展
周焱
（湖南科技职业学院机电系，长沙４１０００４）
摘微细加工技术是随着微机电系统（ＭＥＭＳ）技术的发展而被广泛接受的一种在微小尺度内实现功能、信息集成要：
化的生产加工技术。文中阐述近年来国内外微细加工的发展动向及开发的一些新加工技术，详细介绍了基于超精密加工、硅微加工、ＬＩＧＡ加工、原子力显微镜加工及微／纳压印加工技术等微细加工技术，探讨了各种加工技术的优越性、适用性及可靠性并提出展望。
微机电系统；微细加工关键词：
中图分类号：ＴＧ６６文献标识码：Ａ文章编号：１００２－２３３３（２００６）１１－００２９－０３
ＺＨＯＵＹａｎ
ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃｓ，ＨｕｎａｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｌｌｅｇｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１０００４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＷｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＭｉｃｒｏ－ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ），ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｈａｖｅｂｅｅｎａｃｃｅｐｔｅｄｗｉｄｅｌｙａｓｍｉｃｒｏ－ｐｒｏｃｅｓｓｅｓｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓａｎｄｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｓｉｎｍｉｃｒｏ－ｓｃａｌｅ．Ｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔ，ｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｔｈｅｒｅｃｅｎｔｐｒｏｄｕｃｔｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｏｆｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｓｕｐｅｒ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｓｉｌｉｃｏｎｍｉｃｒｏ－ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ＬＩＧＡ，ａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＡＦＭ）ａｎｄｉｍｐｒｉｎｔｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｈａｖｅｕｓｅｄｆｏｒｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇｉｎＭＥＭＳｈａｖｅｂｅｅｎｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｉｒａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｈａｖｅｂｅｅｎｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅｉｎｄｅｔａｉｌ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏ－ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ）；ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ
１前言统和监视系统等组成，针对较小加工器件，可采用光学显微系统来观察其切削过程与状态。２．２
微细磨削加工
磨削加工主要是将砂轮和砂带表面上的磨粒近似看成微刃，整个砂轮可看成铣刀。磨削加工微器件时需注意以下问题：磨粒在高速、高压和高温作用下会变钝，且切削能力下降；磨粒可能脱落，砂轮失去外形精度；选用磨粒材料时要求耐高温高压，常用的磨粒材料有人造金刚石。Ｗｅｃｋ等［２］采用金刚石作为磨具加工微结构，如图１所示。
随着微机电系统（ＭＥＭＳ）的快速发展，微细加工技术作为实现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。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。
微细加工起源于半导体制造工艺，是指加工尺度在微米级的加工方式，在微机械研究领域中，它是微米级，亚微米级乃至纳米级微细加工的通称。微细加工方式十分丰富，目前常用的微机械器件加工技术主要有三种：以日本为代表的精密机械加工手段（微机械：Ｍｉｃｒｏ－Ｍａｃｈｉｎｅ）；以德国为代表的ＬＩＧＡ技术（微系统：Ｍｉｃｒｏ－Ｓｙｓｔｅｍ）；以美国为代表的硅微加工技术（微机电系统：Ｍｉｃｒｏ－Ｅｌｅｃｔｒｏ－ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）。随着现代科学技术的迅速发展，新的高科技微细加工方法层出不穷，如聚焦离子束（ＦＩＢ）微细加工技术、微／纳压印加工技术等，本文主要就微细加工技术的研究进展进行介绍与讨论。２２．１
基于超精密加工的微细加工技术微细车削加工
车削加工是加工回转类器件的有效方法之一，加工微型零件时要求有合理的微型化车床、状态监测系统、高速高回转精度主轴、高分辨率的伺服进给系统及刀刃足够小、硬度足够高的车刀。日本金泽大学研制出一套微细车削加工系统［４］，主要由微细车床、控制元件、光学显微系
（ａ）车削（ｂ）磨削
图１微结构的金刚石微细加工
２．３微细钻削加工
微细钻削加工一般用于加工直径小于０．５ｍｍ的小
孔，且已成为微细孔加工的最重要方法，微细钻削加工的关键技术在于微细钻头的研制，要想得到细钻头，须借助于某些特种加工方法，如聚集离子束溅射技术［５］。
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２．４微细铣削加工
微细铣削加工可以满足各种形状三维微结构器件的
Ｗａｌｌｉｓ和Ｐｏｍｅｒａｎｔｙ首次提出，ＳＤＢ又称硅熔融键合是Ｌａｓｋｙ于１９８５年提出，硅片与硅片直接或通过（ＳＦＢ）
一层薄膜（如ＳｉＯ２）进行原子键合。４
基于ＬＩＧＡ加工的微细加工技术
ＬＩＧＡ是光刻（Ｌｉｔｈｏｇｒａｆｉｅ）、电铸（Ｇａｌｖａｎｏｆｏｒｍｕｎｇ）、的缩写，主要包括三个工艺：深层同步模铸（Ａｂｆｏｒｍｕｎｇ）辐射软Ｘ射线光刻、电铸成型及铸塑［９］。其特点是能制作高径比很大的塑料、金属、陶瓷的三维微结构，广泛应用于微型机械、微光学器件制作、装配和内连技术、光纤技术、微传感技术、医学和生物工程方面。从而成为ＭＥＭＳ极其重要的一种微制造技术。４．２准ＬＩＧＡ技术
由于ＬＩＧＡ技术需要昂贵的同步辐射Ｘ射线光源和Ｘ射线掩模板，加工周期较长，大大限制了其应用。近年来，已开发了多种替代工艺，如用紫外光刻的ＵＶ－ＬＩＧＡ，用激光烧蚀的Ｌａｓｅｒ－ＬＩＧＡ，用硅深刻蚀工艺的Ｓｉ－ＬＩＧＡ和ＤＥＭ技术及用离子束刻蚀的ＩＢ－ＬＩＧＡ技术等。虽然这些技术达到的技术指标低于同步辐射ＬＩＧＡ技术，但由于其成本低、加工周期短等优点，大大扩展了ＬＩＧＡ技术的应用领域。５
基于原子力显微镜的微细加工技术
原子力显微镜（ＡＦＭ）由于其不受材料限制，并具有原子级分辨能力，因此被看作为一种重要的微加工工具，广泛应用于微纳米技术的研究［１０，１１］。
目前国内外大部分基于ＡＦＭ微加工的研究一般采用单晶硅或氮化硅针尖在聚合物或薄膜上进行机械刻蚀。Ｓｃｈｕｍａｃｈｅｒ［１２］采用ＡＦＭ在ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ异质结构表面进行机械刻蚀，使用非接触的硅探针加工出一个单控制门的单电子晶体管。Ｓｕｇｉｈａｒａ等［１３］利用ＡＦＭ在脂肪酸单分子层上通过加大针尖与表面之间的作用力加工出纳米尺寸的矩形和圆，最小直径可达２０ｎｍ。Ｃｒｕｃｈｏｎ－Ｄｕｐｅｙｒａｔ等［１４］开发出基于ＳＰＭ系统的自动矢量扫描探针技术（ＳＰＬ），用氮化硅针尖进行机械刻蚀。蘸水笔纳米加工ＤＰＮ（ＤｉｐＰｅｎＮａｎｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）可以实现样品表面高精度图形的直接加工，Ｚｈａｎｇ等［１５］利用原子力显微镜ＡＦＭ探针将ＳＡＭ材料涂覆在样品表面，得到单分子层的淀积图形，如图２所示，氮
化硅ＤＰＮ陈列。ＤＰＮ加工技术的优点有：ＤＰＮ适用环境条件较广，可加工多复合层图形，采用微系统加工技术得到ＤＰＮ探针阵列，实现并行加工，提高加工效率。ＤＰＮ加工技术能广泛应用于金属、半导体、绝缘材料的表面淀积加工。６
基于微／纳压印的微细加工技术
从１９９５年微／纳压印技术（ＮＩＬ）发展以来，就被
图２
! ｍ
加工需求，工作效率高，且对ＭＥＭＳ的实用化开发具有一定的价值。日本ＦＡＮＵＣ公司与电气通信大学合作研制出车床型超精密铣床［６］，首次用切削方法实现了自由曲面的微细加工。另外，微细铣削加工还可以使用切削刀具对各种材料进行微细加工，采用ＣＡＤ／ＣＡＭ技术实现三维数控加工，工作效率与相对精度都较高。２．５
微细冲压加工［３］
ＭＥＭＳ微器件中，常有许多小孔的器件，器件上的小孔可用冲孔方法加工，效率高、尺寸稳定、凸模磨损慢、寿命长，在大批量生产时，其成本较低，冲小孔技术的研究方向是如何减小冲床的尺寸，增大微小凸模的强度与刚度，保证微小凸模的导向和保护等。３
基于硅微细加工技术
硅微机械加工技术是ＭＥＭＳ微结构中一种常用加工方法，源于集成电路（ＩＣ）加工技术，是由ＩＣ平面加工工艺发展的三维微细加工技术［７，８］。３．１
体硅微细加工技术
体硅微细加工技术是以单晶硅为加工对象，采用腐蚀、镀膜、键合等加工工艺，在硅基上有选择性地去除部分材料，从而获得所需的微结构。
当腐蚀剂为液体时所进行的腐蚀称为湿法腐蚀，腐蚀剂为气体时则称为干法腐蚀。干法腐蚀的种类很多，主要有离子腐蚀（ＩＥ）、离子束腐蚀（ＩＢＥ）、等离子体腐蚀（ＰＥ）、反应离子腐蚀（ＲＩＥ）和反应离子束腐蚀（ＲＩＢＥ）等。其中ＰＥ或ＲＩＢＥ是目前主要采用的干法刻蚀工艺。湿法腐蚀工艺是指采用不同的腐蚀溶液，对硅片进行各向同性腐蚀、各向异性腐蚀或自停止腐蚀，加工深度可达几百微米。目前所用硅各向异性腐蚀的溶剂都是碱性的，主要是有机腐蚀剂ＥＰＷ（乙二胺、邻苯二酸和水）和碱性腐蚀两类。剂（如ＫＯＨ）３．２
表面硅微细加工技术
表面硅微细加工技术是以硅片为基体，以连续淀积结构层、牺牲层和光刻为工艺，利用微电子加工技术中的氧化、淀积、光刻、腐蚀等工艺，在硅片表面上形成多层薄膜图形，然后把下面的牺牲层腐蚀掉，以保留上面的微结构图形。此类微细加工技术可以制作活动构件如转子、齿轮等，还可以制造多种谐振式、电容式、应变式传感器和静电式、电磁式执行器，如微电机、谐振器等。３．３
键合技术
在微型机械的制作工艺中，键合技术十分重要。固相键合技术是指不用液态粘连剂而将两块固体材料键合在一起，键合过程中材料始终处于固相状态的一种加工方法。主要包括静电键合和直接键合两种，主要用于硅－玻璃键合，玻璃可以是基片，也可用在两片硅晶片之间的键合。直接键合（ＳＤＢ）又称硅热键合技术，主要用于硅－硅键合，它可以将两种高度抛光的硅晶片在没有外加电场的情况下进行永久性键合。静电键合技术是１９６９年
４．１ＬＩＧＡ技术
氮化硅ＤＰＮ陈列
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ＭＩＴ列为十项最可能改变世界的技术之一。ＮＩＬ技术具有成本低、生产效率高且设备简单而廉价等优点，且是一种并行加工技术，对于需要大面积高精度图案形状的微纳结构器件加工是非常有效的。典型的加工工艺过程有制作印章、压印过程和转移图形三个基本步骤。
纳米压印技术一经提出就引起科技界的广泛注意。ＮＩＬ已被应用到许多电子、光学和磁性器件的制作中，Ｇｕｏ等
［１６］
（７）能在短期内实现大批量微细加工，降低成本，及时开发出需求的微型结构及系统，实现商业化发展。
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刻蚀在硅－氧化物－绝缘体基片上制备了量子线和量子环，［４］Ｚ．Ｎ．Ｌｕ，Ｔ．Ｙｏｎｅｙａｍａ．Ｍｉｃｒｏｃｕｔｔｉｎｇｉｎｔｈｅｍｉｃｒｏｌａｔｈｅｔｕｒｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ
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提出了三维倾斜
式、旋转式ＵＶ压印加工技术，并制作出多种形式的微结构，
图３
采用ＮＩＬ制备的量子环器件
如图４所示，倾斜式和旋转式微结构。
图４ＵＶ压印加工的微结构（左：倾斜式；右：旋转式）
系统［Ｊ］．光学精密工程，２００３，１１（２）：１２５－１２９．
［１１］王海，褚家如，赵钢．扫描探针加工技术的新进展及扫描等离
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ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｅｌｅｃｔｒｏｎｓｙｓｔｅｍｓ：ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆａｓｉｎｇｌｅ－ｅｌｅｃｔｒｏｎ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃａＥ，２０００（６）：８６０－８６３．ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ
［１３］Ｈ．Ｓｕｇｉｈａｒａ，Ａ．Ｔａｋａｈａｒａ，Ｔ．Ｋａｊｉｙａｍａ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｎａｎｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ
ｏｆｌｉｇｎｏｃｅｒｉｃａｃｉｄｍｏｎｏｌａｙｅｒｗｉｔｈａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ［Ｊ］．ＪＶａｃＳｃｉＴｅｃｈｎｏｌ，２００１，１９（２）：５９３－５９５．
［１４］Ｓ．Ｃｒｕｃｈｏｎ－Ｄｕｐｅｙｒａｔ，Ｓ．Ｐｏｒｔｈｕｎ，Ｇ．Ｙ．Ｌｉｕ．Ｎａｎｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ
ｕｓｉｎｇｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｓｓｉｓｔｅｄｄｅｓｉｇｎａｎｄａｕｔｏｍａｔｅｄｖｅｃｔｏｒｓｃａｎｎｉｎｇｐｒｏｂｅｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＳｕｒｆａｃｅＳｃｉｅｎｃｅ，２００１，１７５－１７６：６３６－６４２．
［１５］Ｍ．Ｚｈａｎｇ，Ｄ．Ｂｕｌｌｅｎ，Ｓ．Ｗ．Ｃｈｕｎｇ，ｅｔａｌ．ＡＭＥＭＳｎａｎｏｐｌｏｔｔｅｒ
ｗｉｔｈｈｉｇｈ－ｄｅｎｓｉｔｙｐａｒａｌｌｅｌｄｉｐ－ｐｅｎｎａｎｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙｐｒｏｂｅａｒｒａｙｓ［Ｊ］．Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００２（１３）：２１２－２１７．
［１６］Ｌ．Ｇｕｏ，Ｐ．Ｒ．Ｋｒａｕｓｓ，Ｓ．Ｙ．Ｃｈｏｕ．Ｎａｎｏｓｃａｌｅｓｉｌｉｃｏｎｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔ
［Ｊ］．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｕｓｉｎｇｉｍｐｒｉｎｔｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙＬｅｔｔ．，１９９７，７１（１３）：１８８１－１８８３．
［１７］Ｍ．Ｈａｎ，Ｗ．Ｌｅｅ，Ｓ．Ｋ．Ｌｅｅ，Ｓ．Ｓ．Ｌｅｅ．３Ｄｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ
．ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓｗｉｔｈｉｎｃｌｉｎｅｄ／ｒｏｔａｔｅｄＵＶｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ［Ｊ］Ａ，２００４，１１１：１４－２０．
（编辑立
明）
７讨论与展望
综观近年来微细加工技术的迅速发展，已成为机电
领域的研究热点。在其发展过程中呈现出以下几个特点与趋势：
（１）产品的应用及工艺技术的确定性，针对产品确定其市场潜力，进行加工工艺与设备技术研究；
（２）随着ＭＥＭＳ应用范围的拓宽，对微细加工材料的要求也趋于多样化，需建立微尺度下的各种材料性能数据库；
（３）微结构更趋于复杂化、功能化要求越来越高，随着材料和加工工艺的日益发展，从二维到三维、从微米到纳米，运动部件增多，扩大了其使用功能；
（４）针对微尺度下器件质量和产品的功能性测量与评定，制定出一系列有关器件的尺寸、形状、表面粗糙度等的计量方法；
（５）研发出更新、更适用于现代科技需求的微细加工技术，不能仍以物理与化学能量的特种加工为主，因为微细加工主要是在微米级进行、ＭＥＭＳ的尺寸微小及加工材料的局限性，传统的机械加工方法与硅微加工技术不能满足需求；
（６）结合基于微型装备、微型工厂及微加工系统，以及发挥微细加工方法的复合化，微细加工是高技术的集成，是集光、机、电、化学等之大成，融合多种能量于一体，从而实现器件的微细加工要求；
!!!!!!!!!!
，女，研究方向为现代机械设计与制造、三维作者简介：周焱（１９８０－）
ＣＡＤ／ＣＡＭ设计与研究。
收稿日期：２００６－０６－１７
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微细加工技术研究进展
周焱
（湖南科技职业学院机电系，长沙４１０００４）
摘微细加工技术是随着微机电系统（ＭＥＭＳ）技术的发展而被广泛接受的一种在微小尺度内实现功能、信息集成要：
化的生产加工技术。文中阐述近年来国内外微细加工的发展动向及开发的一些新加工技术，详细介绍了基于超精密加工、硅微加工、ＬＩＧＡ加工、原子力显微镜加工及微／纳压印加工技术等微细加工技术，探讨了各种加工技术的优越性、适用性及可靠性并提出展望。
微机电系统；微细加工关键词：
中图分类号：ＴＧ６６文献标识码：Ａ文章编号：１００２－２３３３（２００６）１１－００２９－０３
ＺＨＯＵＹａｎ
ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃｓ，ＨｕｎａｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｌｌｅｇｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１０００４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＷｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＭｉｃｒｏ－ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ），ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｈａｖｅｂｅｅｎａｃｃｅｐｔｅｄｗｉｄｅｌｙａｓｍｉｃｒｏ－ｐｒｏｃｅｓｓｅｓｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓａｎｄｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｓｉｎｍｉｃｒｏ－ｓｃａｌｅ．Ｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔ，ｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｔｈｅｒｅｃｅｎｔｐｒｏｄｕｃｔｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｏｆｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｓｕｐｅｒ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｓｉｌｉｃｏｎｍｉｃｒｏ－ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ＬＩＧＡ，ａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＡＦＭ）ａｎｄｉｍｐｒｉｎｔｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｈａｖｅｕｓｅｄｆｏｒｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇｉｎＭＥＭＳｈａｖｅｂｅｅｎｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｉｒａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｈａｖｅｂｅｅｎｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅｉｎｄｅｔａｉｌ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏ－ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ）；ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ
１前言统和监视系统等组成，针对较小加工器件，可采用光学显微系统来观察其切削过程与状态。２．２
微细磨削加工
磨削加工主要是将砂轮和砂带表面上的磨粒近似看成微刃，整个砂轮可看成铣刀。磨削加工微器件时需注意以下问题：磨粒在高速、高压和高温作用下会变钝，且切削能力下降；磨粒可能脱落，砂轮失去外形精度；选用磨粒材料时要求耐高温高压，常用的磨粒材料有人造金刚石。Ｗｅｃｋ等［２］采用金刚石作为磨具加工微结构，如图１所示。
随着微机电系统（ＭＥＭＳ）的快速发展，微细加工技术作为实现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。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。
微细加工起源于半导体制造工艺，是指加工尺度在微米级的加工方式，在微机械研究领域中，它是微米级，亚微米级乃至纳米级微细加工的通称。微细加工方式十分丰富，目前常用的微机械器件加工技术主要有三种：以日本为代表的精密机械加工手段（微机械：Ｍｉｃｒｏ－Ｍａｃｈｉｎｅ）；以德国为代表的ＬＩＧＡ技术（微系统：Ｍｉｃｒｏ－Ｓｙｓｔｅｍ）；以美国为代表的硅微加工技术（微机电系统：Ｍｉｃｒｏ－Ｅｌｅｃｔｒｏ－ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）。随着现代科学技术的迅速发展，新的高科技微细加工方法层出不穷，如聚焦离子束（ＦＩＢ）微细加工技术、微／纳压印加工技术等，本文主要就微细加工技术的研究进展进行介绍与讨论。２２．１
基于超精密加工的微细加工技术微细车削加工
车削加工是加工回转类器件的有效方法之一，加工微型零件时要求有合理的微型化车床、状态监测系统、高速高回转精度主轴、高分辨率的伺服进给系统及刀刃足够小、硬度足够高的车刀。日本金泽大学研制出一套微细车削加工系统［４］，主要由微细车床、控制元件、光学显微系
（ａ）车削（ｂ）磨削
图１微结构的金刚石微细加工
２．３微细钻削加工
微细钻削加工一般用于加工直径小于０．５ｍｍ的小
孔，且已成为微细孔加工的最重要方法，微细钻削加工的关键技术在于微细钻头的研制，要想得到细钻头，须借助于某些特种加工方法，如聚集离子束溅射技术［５］。
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２．４微细铣削加工
微细铣削加工可以满足各种形状三维微结构器件的
Ｗａｌｌｉｓ和Ｐｏｍｅｒａｎｔｙ首次提出，ＳＤＢ又称硅熔融键合是Ｌａｓｋｙ于１９８５年提出，硅片与硅片直接或通过（ＳＦＢ）
一层薄膜（如ＳｉＯ２）进行原子键合。４
基于ＬＩＧＡ加工的微细加工技术
ＬＩＧＡ是光刻（Ｌｉｔｈｏｇｒａｆｉｅ）、电铸（Ｇａｌｖａｎｏｆｏｒｍｕｎｇ）、的缩写，主要包括三个工艺：深层同步模铸（Ａｂｆｏｒｍｕｎｇ）辐射软Ｘ射线光刻、电铸成型及铸塑［９］。其特点是能制作高径比很大的塑料、金属、陶瓷的三维微结构，广泛应用于微型机械、微光学器件制作、装配和内连技术、光纤技术、微传感技术、医学和生物工程方面。从而成为ＭＥＭＳ极其重要的一种微制造技术。４．２准ＬＩＧＡ技术
由于ＬＩＧＡ技术需要昂贵的同步辐射Ｘ射线光源和Ｘ射线掩模板，加工周期较长，大大限制了其应用。近年来，已开发了多种替代工艺，如用紫外光刻的ＵＶ－ＬＩＧＡ，用激光烧蚀的Ｌａｓｅｒ－ＬＩＧＡ，用硅深刻蚀工艺的Ｓｉ－ＬＩＧＡ和ＤＥＭ技术及用离子束刻蚀的ＩＢ－ＬＩＧＡ技术等。虽然这些技术达到的技术指标低于同步辐射ＬＩＧＡ技术，但由于其成本低、加工周期短等优点，大大扩展了ＬＩＧＡ技术的应用领域。５
基于原子力显微镜的微细加工技术
原子力显微镜（ＡＦＭ）由于其不受材料限制，并具有原子级分辨能力，因此被看作为一种重要的微加工工具，广泛应用于微纳米技术的研究［１０，１１］。
目前国内外大部分基于ＡＦＭ微加工的研究一般采用单晶硅或氮化硅针尖在聚合物或薄膜上进行机械刻蚀。Ｓｃｈｕｍａｃｈｅｒ［１２］采用ＡＦＭ在ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ异质结构表面进行机械刻蚀，使用非接触的硅探针加工出一个单控制门的单电子晶体管。Ｓｕｇｉｈａｒａ等［１３］利用ＡＦＭ在脂肪酸单分子层上通过加大针尖与表面之间的作用力加工出纳米尺寸的矩形和圆，最小直径可达２０ｎｍ。Ｃｒｕｃｈｏｎ－Ｄｕｐｅｙｒａｔ等［１４］开发出基于ＳＰＭ系统的自动矢量扫描探针技术（ＳＰＬ），用氮化硅针尖进行机械刻蚀。蘸水笔纳米加工ＤＰＮ（ＤｉｐＰｅｎＮａｎｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）可以实现样品表面高精度图形的直接加工，Ｚｈａｎｇ等［１５］利用原子力显微镜ＡＦＭ探针将ＳＡＭ材料涂覆在样品表面，得到单分子层的淀积图形，如图２所示，氮
化硅ＤＰＮ陈列。ＤＰＮ加工技术的优点有：ＤＰＮ适用环境条件较广，可加工多复合层图形，采用微系统加工技术得到ＤＰＮ探针阵列，实现并行加工，提高加工效率。ＤＰＮ加工技术能广泛应用于金属、半导体、绝缘材料的表面淀积加工。６
基于微／纳压印的微细加工技术
从１９９５年微／纳压印技术（ＮＩＬ）发展以来，就被
图２
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加工需求，工作效率高，且对ＭＥＭＳ的实用化开发具有一定的价值。日本ＦＡＮＵＣ公司与电气通信大学合作研制出车床型超精密铣床［６］，首次用切削方法实现了自由曲面的微细加工。另外，微细铣削加工还可以使用切削刀具对各种材料进行微细加工，采用ＣＡＤ／ＣＡＭ技术实现三维数控加工，工作效率与相对精度都较高。２．５
微细冲压加工［３］
ＭＥＭＳ微器件中，常有许多小孔的器件，器件上的小孔可用冲孔方法加工，效率高、尺寸稳定、凸模磨损慢、寿命长，在大批量生产时，其成本较低，冲小孔技术的研究方向是如何减小冲床的尺寸，增大微小凸模的强度与刚度，保证微小凸模的导向和保护等。３
基于硅微细加工技术
硅微机械加工技术是ＭＥＭＳ微结构中一种常用加工方法，源于集成电路（ＩＣ）加工技术，是由ＩＣ平面加工工艺发展的三维微细加工技术［７，８］。３．１
体硅微细加工技术
体硅微细加工技术是以单晶硅为加工对象，采用腐蚀、镀膜、键合等加工工艺，在硅基上有选择性地去除部分材料，从而获得所需的微结构。
当腐蚀剂为液体时所进行的腐蚀称为湿法腐蚀，腐蚀剂为气体时则称为干法腐蚀。干法腐蚀的种类很多，主要有离子腐蚀（ＩＥ）、离子束腐蚀（ＩＢＥ）、等离子体腐蚀（ＰＥ）、反应离子腐蚀（ＲＩＥ）和反应离子束腐蚀（ＲＩＢＥ）等。其中ＰＥ或ＲＩＢＥ是目前主要采用的干法刻蚀工艺。湿法腐蚀工艺是指采用不同的腐蚀溶液，对硅片进行各向同性腐蚀、各向异性腐蚀或自停止腐蚀，加工深度可达几百微米。目前所用硅各向异性腐蚀的溶剂都是碱性的，主要是有机腐蚀剂ＥＰＷ（乙二胺、邻苯二酸和水）和碱性腐蚀两类。剂（如ＫＯＨ）３．２
表面硅微细加工技术
表面硅微细加工技术是以硅片为基体，以连续淀积结构层、牺牲层和光刻为工艺，利用微电子加工技术中的氧化、淀积、光刻、腐蚀等工艺，在硅片表面上形成多层薄膜图形，然后把下面的牺牲层腐蚀掉，以保留上面的微结构图形。此类微细加工技术可以制作活动构件如转子、齿轮等，还可以制造多种谐振式、电容式、应变式传感器和静电式、电磁式执行器，如微电机、谐振器等。３．３
键合技术
在微型机械的制作工艺中，键合技术十分重要。固相键合技术是指不用液态粘连剂而将两块固体材料键合在一起，键合过程中材料始终处于固相状态的一种加工方法。主要包括静电键合和直接键合两种，主要用于硅－玻璃键合，玻璃可以是基片，也可用在两片硅晶片之间的键合。直接键合（ＳＤＢ）又称硅热键合技术，主要用于硅－硅键合，它可以将两种高度抛光的硅晶片在没有外加电场的情况下进行永久性键合。静电键合技术是１９６９年
４．１ＬＩＧＡ技术
氮化硅ＤＰＮ陈列
３０
机械工程师２００６年第１１期
ＦｏｒｕｍｏｎＳｐｅｃｉａｌＴｏｐｉｃ专题论坛
ＭＩＴ列为十项最可能改变世界的技术之一。ＮＩＬ技术具有成本低、生产效率高且设备简单而廉价等优点，且是一种并行加工技术，对于需要大面积高精度图案形状的微纳结构器件加工是非常有效的。典型的加工工艺过程有制作印章、压印过程和转移图形三个基本步骤。
纳米压印技术一经提出就引起科技界的广泛注意。ＮＩＬ已被应用到许多电子、光学和磁性器件的制作中，Ｇｕｏ等
［１６］
（７）能在短期内实现大批量微细加工，降低成本，及时开发出需求的微型结构及系统，实现商业化发展。
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图３
采用ＮＩＬ制备的量子环器件
如图４所示，倾斜式和旋转式微结构。
图４ＵＶ压印加工的微结构（左：倾斜式；右：旋转式）
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（编辑立
明）
７讨论与展望
综观近年来微细加工技术的迅速发展，已成为机电
领域的研究热点。在其发展过程中呈现出以下几个特点与趋势：
（１）产品的应用及工艺技术的确定性，针对产品确定其市场潜力，进行加工工艺与设备技术研究；
（２）随着ＭＥＭＳ应用范围的拓宽，对微细加工材料的要求也趋于多样化，需建立微尺度下的各种材料性能数据库；
（３）微结构更趋于复杂化、功能化要求越来越高，随着材料和加工工艺的日益发展，从二维到三维、从微米到纳米，运动部件增多，扩大了其使用功能；
（４）针对微尺度下器件质量和产品的功能性测量与评定，制定出一系列有关器件的尺寸、形状、表面粗糙度等的计量方法；
（５）研发出更新、更适用于现代科技需求的微细加工技术，不能仍以物理与化学能量的特种加工为主，因为微细加工主要是在微米级进行、ＭＥＭＳ的尺寸微小及加工材料的局限性，传统的机械加工方法与硅微加工技术不能满足需求；
（６）结合基于微型装备、微型工厂及微加工系统，以及发挥微细加工方法的复合化，微细加工是高技术的集成，是集光、机、电、化学等之大成，融合多种能量于一体，从而实现器件的微细加工要求；
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，女，研究方向为现代机械设计与制造、三维作者简介：周焱（１９８０－）
ＣＡＤ／ＣＡＭ设计与研究。
收稿日期：２００６－０６－１７
机械工程师２００６年第１１期
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