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透過X光深刻及電鑄製造精密模具,再大量複製微結的特殊製程,LIGA是 德文(Lithographie GalVanoformung Abformung)之縮寫,譯成英文則為Lithography Electroforming Micro Molding 譯成中文則為X光微影,微電鑄,微成型也就是X光深刻精密電鑄模造成形,通常簡稱為光刻電鑄模造或光刻模造。

LIGA製程源自德國核能研 究所,1980年初期所發展出來用以製造微結構的技術。它結合X-Ray深刻術(Deep X-Ray Lithography)電鑄翻模(Micro Electroforming)及精密射出(Micro-Injection),熱壓成型(Micro-Embossing)技術,適合量產高深寬比 (Aspect Ratio)低表面粗糙度(Sub μm),垂直側壁的微結構,且材料的應用範圍廣泛,可製造金屬及塑膠的微結構。

這些 技術的特點使得LIGA被公認為最具有技術潛力,開發高深寬比,高精度之2D,3D微結構元件及微系統元件。

2-2 LIGA之技術領域

LIGA之技術領域可分為三方面

(一) Lithography (微影)

(二) Electro deposition (電氣沈積)

Electroforming (電鑄)

Electroplating (電鍍)

(三) Micro Molding (微成形)

Micro Injection Molding (微射出成形)

Reactive Injection Molding (RIM) (反應性射出成型)如圖(一)所示

Thermal Injection Molding (TIM) (熱鑄式射出成型)如圖(二)所示

Micro Hot Embossing   (微熱壓成形)

圖(一) 反應式射出成型示意圖

圖(二) 熱鑄式射出成型示意圖

2-3 LIGA製程

        LIGA技術起源於德國Forschungszentrum Karlsrule (FZK)的Institute for Microstructure Technology (IMT),它是結合了積體電路的光刻術(Lithography)、電學的電鍍鑄模技術及高分子材料的熱壓(Hot embossing)成型或射出成型(Injection molding)大量翻造技術。標準的LIGA製程是使用波長0.2-0.6nm的同步輻射X光來進行深光刻術,這是由於同步輻射X光具有波長短、繞射現 象小、功率大、穿透力強等優點,亦正因為如此才使得LIGA製程所製造出來的結構深度、精度、表面粗糙度、乃至深寬比,皆可達到過去微機械加工所無法達到 的境界。

        LIGA的標準製程如圖(三)所示,首先在基板上鋪上一層相當厚度的高分子光阻材料,此光阻材料的選擇端視所使用的光源而定。當使用同步輻射X光時,最佳 的光阻材料是poly-methylmeth-acrylate(PMMA)。X光經由特殊設計與製作的光罩(Mask)照射在PMMMA上,將照射過X 光的光阻顯影(Developing)後,即可得到由光罩圖案轉移(pattern transfer)的光阻模版。第二步驟是利用電鑄技術,將金屬電鑄在此光阻模版內,然後以蝕刻的方式將光阻去除,則可得到所需的金屬微結構。為防止電鑄 前或移去光阻後工件的污染,整個製程必須在潔淨室內執行。第三步驟則是以金屬微結構作為模仁(mold insert),經由熱印壓模或射出成型等技術量產塑膠微結構,或者由這些塑膠微結構再經第二次電鑄而量產金屬微結構。

圖(三) 製造微結構的準LIGA製程技術

2-4 微影(Lithography)

2-4-1 微影之定義

  微影之定義,就是將光罩(Photo mask)上之圖案(Pattern)轉移至光阻(Photoresist)上面,由於光阻材料之正負性質不同,經顯影(Develop)後,光阻圖案會 和光罩圖案完全相同或成互補。

2-4-2 微影製程

微影製程可說是半導體製程之關鍵製程,其步驟如下:

(1) 表面清洗

(2)塗底(Priming)

(3)光阻覆蓋

(4)軟烤,(Soft bake)

(5) 曝光

(6)烘烤

(7)顯影

(8)硬烤(Hot bake)

如圖(四)圖(五)所示:

圖(四) 主要微影製程

圖(五)微影製程

表面清洗是去除晶片表面 氧化物、雜質、油質及水分子

塗底是在晶片表面塗上一層HMDS化合物,以增加光阻與表面的附著力

光阻是一種感光材料,由 感光劑(Sensitizer)樹脂(Resin)及溶劑(Solvent)混合而成。

光阻應具備之特性:

(1) 高光源吸收率 (2)高解析度 (3)高敏感度 (4)抗蝕刻性(5)高附著性

(6)低黏滯係數 (7)高對比

光阻材料 有正負之分,正光阻受光照射後分子鍵被剪斷(Chain scission),因而易溶於顯影液(developer solution),然而負光阻分子鍵則會產生交互鏈結(cross linking) 因而難溶於顯影液

如圖(六)所示:

圖(六) 正光阻與負光阻的特性

2-4-3 微影曝光法技術

光蝕刻微影技術是用已製成圖案之光罩或光阻,選擇性的保護工件表面後,以各種光源蝕刻除去未被光罩或光阻包覆的部份,而 得到欲加工之幾何形狀。依據使用光源之不同,光蝕刻技術可分為四種:

(1)光蝕刻(Photolithograph)

(2) 電子束蝕刻(Electron-Beam lithography)

(3) X光蝕刻(X-ray lithography)

(4) 離子束蝕刻(Ion-Beam lithography)

如圖(七)所示:

圖(七) 四種典型的光蝕刻技術

積體電路 的製作必須經過多次的微影製程才能完成,因此在曝光前,晶圓上前段製程已經存在的圖案必須與光罩上後段製程的圖案彼此對準。(Align)

目 前工業界發展出三種型式的曝光系統:

(1) 接觸式(Contact)

(2) 近接式(Proximity)

(3) 投影(射)式(Projection)

如圖(八)所示:

圖(八)微影曝光系統

接觸式曝光法,解析 度高,可達1μm比較不會產生繞射現象,但光罩因直接放置在基板(Substrate)上面,不僅容易變形而且易受微粒汙染,因此會影響光罩壽命。

近 接式曝光法:光罩不受微粒汙染,但因有曝光的間隔,容易造成繞射效應而使得圖案轉移的解析度變差,僅為2μm。

投影式曝光法,利用光學鏡 片將聚焦的光罩投影在晶圓上,光罩上的圖案通常放大為5倍或10倍,利用聚焦原理依適當比例縮小,然後照射在晶片的局部位置上,必須經過多次重覆且步進的 曝光方式,才能完成圖案轉移。不但設備昂貴而且耗時產量比前兩種方式低,但解析度可達0.5μm而且光罩不受微粒子汙染,因而壽命長久。如圖(九)所示:

圖(九)投影式曝光

2-4-4 顯影

曝 光後,為使圖案顯現,必須移去不必要之光阻,負光阻顯影液,會將未曝光之部份以溶劑洗去,已曝光部份則因分子聚合而留下圖形,對正光阻而言,曝光部份將被 洗去,而留下未曝光部份圖形,與負光阻相反,目前正光阻之顯影液以不合金屬離子且稀釋過(2.38%)的TMAH為主。

正光阻顯影之方式 概分為三種:(a)浸泡式:一次可以顯影數十片晶片,速度快,且浸泡槽在顯影速率不變之情況下可重覆使用,成本較低,其缺點則為顯影均勻度較差及易受污染 等。(b)單片噴灑式:一次一片且均使用新的顯影液,藉噴灑及旋轉之離心力,以達到顯影之效果,此方法可有效改善污染問題,在均勻度之改善上,仍不盡完 美,且顯影液之用量大。(c)單片噴灑靜置式:此仍為一次一片,但先將顯影液以慢轉速噴灑在晶片上,待顯影液完全均勻覆蓋在晶片上時,則靠顯影液在晶片上 著力做靜置顯影,此方式之顯影均勻度較噴灑式佳,用量亦較少,且可避免污染問題,為目前較被廣泛使用之方式。

2-4-5 硬烤

在 光阻顯影成像後,最後仍會經過一道烘烤(Hard Bake),其目的在移去剩餘之溶劑及水氣,使光阻內未溶解之感光化合物和樹脂間之結合更緊密,以增加光阻對熱之穩定性及底層物質之附著力,在將來之蝕刻 或離子植入製程中,能確實發揮保護圖形之功能。

2-5 電鑄(Electro forming)

經由微影所得到之塑膠結 構,僅是一個中間產物,它是用來製造金屬產品或金屬模具以便利用微射出成形或微熱壓成形而得到所要的金屬產品。

如圖(十)所示:

圖(十)電鑄

2-6 工業用電鑄主要應用領域

2-7 電鑄微機電零件

2-8 電鑄精密模具必須具備之條件:

(1) 表面精度高

   鎳電鍍模具的表面精度上可以達到小於1nm以下的表面精度,一般在電鑄鎳模時之啟鍍電流會採用較低之電流密度,以獲得 較高之表面精度,其主要是因為在較低的電流密度下鍍覆可以得到晶粒較小的結構。

(2) 覆蓋性良好(即複製性良好)

     對於需要經由翻模的製程,其鍍模設備的覆蓋性是相當重要的一環,有好的覆蓋性才能夠得到一個具有良好的複製性的模具,在電鍍上可以製作深寬(縱橫)比 (Aspect Ratio) 大於10以上的微結構件。

(3) 殘留應力低

    殘留應力為電鑄微結構模具上重要因 子,應力過大會造成微結構模具的變形,造成尺寸上的誤差,因此電鑄之殘留應力盡量保持為零應力的理想狀態。影響殘留應力的因子包括電鍍溫度,添加劑、ph 值、電流密度的分布等。一般而言電鑄模具之殘留應力須控制在?/span>2Kg/mm2 以下,才能夠作為熱壓成形之電鑄模具。

(4) 高硬度

   模具的硬度及剛性是決定此模具壽命的重要因素,硬度越高的材 質會有較大的耐磨耗性。一般為得到高硬度的鍍膜通常是加入第二甚至第三元素以提高電鑄模具的硬度,如所謂的鎳鈷電鍍,其硬度約為600HV,大概是鎳膜的 三倍到四倍間,但引入其他元素則會造成電鍍上的難度。

2-9 電鑄之精密模具

2-10微成形(Micro Molding)

利 用電鑄所得之模具(Mold)可作為微射出成形模具(Micro injection mold)如圖(十)所示,及微熱壓成形模具(Micro Hot Imbossing Mold)如圖(十一)所示:

圖(十一)微熱壓成形模具

2-11 微射出成形

利用改良過的塑膠射出成型技術,能以批次(batch)製造的方式生產複雜的微結構,因其能大量生產、降低成本,故滿足工業市 場之需求。目前有反應式射出成型技術(reactive injection molding, RIM)及熱鑄式射出成型技術(thermal injection molding, TIM)兩種,基本的差異在於鑄材之製備方式。

(1) 反應式射出成型技術

圖 (一)為反應式射出成型的示意圖,圖中顯示兩種台更多的高分子材料以精確的重量比例,在射出前利用高壓(100-200bar)注入混合腔中混合,當混合 的鑄材黏度仍低時,以低壓(約10bar)射入成型腔內進行高分子聚合反應而硬化。因為低黏度及低壓力的要求,使得RIM的應用日見成功而普及。高速混合 時可能產生氣泡而造成產品缺陷,故此製程必須在真空環境下進行。常用的高分子材料為polyurethane和其他熱固型樹脂 如:phenolformaldehyde、melaminformaldegyde、epoxy resin、silicon resin等。在RIM中亦有一些限制存在,如高分子聚時成份的反應性很強,常具爆炸性,操作危險性高;另由於射入成型物低黏度的特性,模具內壁的平滑度 要求提高,否則將導致脫模困難。

        FZK/IMT為因應微結構LIGA製程的發展而開發出真空射出成型機,主要是一真空腔體,內置可分離的射出成型模具。將事先混好並在真空中去氣泡的反應 樹脂,由導管以低壓注入模具進行聚合硬化成型。在硬化成型的過程中,常施以3MPa的壓力於模上,以扺消聚合所產生的體積縮小。硬化成型的工件再經高溫退 火,以完成聚合並減低內應力的效應。最後當模子冷卻至110度C時進脫模,由於退火減低應力,脫模所需之力也可減低,並避免脫模時成型物的彎曲變形。

為 了方便射出成型後的塑膠製品,再經第二次電鑄而量產金屬微結構,FZK/IMT利用RIM將絕緣性與導電性的高分子材料混合後注入射出模中,其中導電性的 高分子材料是在高分子中填以銀粉或石墨粉末所製成。這個新方法使得射出成型物的表面具導電性,可避免使用昂貴的導電基板,並可電鑄任意形狀的金屬。

(2) 熱鑄式射出成型技術

圖(二)為熱鑄式射出成型的示意圖,圖中顯示高分子鑄材先經加熱成為黏稠液狀後,才射入鑄模內成型並冷卻硬化。常用 的高分子材料為polyvinyl-chloride(PVC)、polyacrylintril-butadiensyrole(ABS)及PMMA。 其中PMMA會吸收水氣,含水量達0.3%時會導玫鑄出物表面不良,故使用前須先在70度C中加熱4-6小時加以烘乾。由於使用的是粒狀高分子鑄材,故適 用的材料種類很廣,包括熱塑性與熱固性聚合物及橡膠。TIM的步驟可分為:(1) 加熱塑化,(2) 高壓射出注模,(3) 冷卻,(4) 脫模及拉出成型物。在射出成型製程中,溫度、時間及壓力等操作參數必須精確控制,使整個操作流程有良好的再現性,方可保持射出成型物品質的穩定。

        TIM最著名的應用例是光碟片的製造,但LIGA製程所能達到的深比為光碟片的數百倍。因此,以TIM製造LIGA結構時,成型模具必須先加熱至塑料的玻 璃轉換溫度以上,以避免融熔的高分子過早固化,而影響模具細微特徵之填充。雖然這道模具加溫的手續拉長整個射出成型週期的時間,但由於使用低壓力射出,使 模具上微結構的磨損可以排除。在熱鑄塑料固化的過程中,射出成型物的體積會縮小,必須以施壓力的方法加以扺消,以避免脫模時塑料黏於模上無法分離,同時確 保成型物尺寸之精確,在小心操作下,TIM可製造深寬比達40的微結構。

2-12 微成形產品

利用微電鑄所得到之模具分 別利用微射出成形及微熱壓成形方法,即可以獲得所要之微結構元件,如圖(十二)、(十三)所示:

圖(十二)微射出成形元件

圖(十三)微熱壓成形元件

2-13  LIGA之特性及功能

LIGA製程的主要特性和功能如下:

‧ 最小槽向大小:Min d=0.5μm?/span>0.1μm

‧ 最大結構高度:Max h=1000μm

‧ 最大縱橫比:h/d>100

‧ 表面粗糙度:0.03~0.05μm

‧ 可使用材料種類廣

‧ 精確度高

‧ 具有彈性設計的可能性(有量產潛力)

LIGA技術不但可以製造二次元的微結構,目前也發展出新的LIGA製 程,可製造三次元的微結構。

2-14 超深LIGA製程(Ultra-Deep LIGA Process)

同步輻射中 心的微結構小組針對微機械應用的需要,成功開發出超深LIGA製程(Ultra-Deep LIGA Process),可以製作厚達數釐米的深刻結構,此深刻技術能力目前仍居世界領先地位。UD LIGA製程基本上包括幾個基本要項:

1. 多次而連續的曝光顯影程序。

2. 第一次曝光顯影程序後,曝光劑量可大幅提昇數倍於前述的高限值以增快光阻溶解速率。光阻的釋氣可藉由第一次顯影後的多孔表面結構釋出,而不致於破壞微結 構。

3. 以共型光罩(conformal mask)解決多次曝光過程的對準問題。

4. 在光阻側壁可能發生的X光全反射機制,可避免兩次曝光顯影程序間,結構側壁的不連續界面性。

除此之外,隨著結構增厚,應力與附著性的問題 都必須設法控制與解決。圖(十四)是UD LIGA製程的示意圖。首先是在積層基板(Cu/PMMA/A1)上以類LIGA技術製作金光罩(圖a~b),經連續曝光顯影程序深刻微結構(圖 c~d),再電鑄翻模為金屬微結構(圖e~f)。

製造高深寬比結構的主要困難在於顯影製程。由於曝光劑量因光阻吸收而深度衰減,加上溝槽 內的質傳(mass transfer)相當緩慢,因此底部光阻必須花費相當長的時間顯影;在此同時,未曝光光阻因浸滯顯影液時間過長而損失精度,甚至破壞微結構。因此提昇顯 影速率可說是製造超深光刻結構的首要關鍵。

顯影基本上是類似溶解的過程,一般常用攪伴或升溫的方式加速溶解的進行。然而對於微結構顯影而 言,攪伴的機械力可能破壞脆弱的微結構,對於微溝而言,攪伴的效果也十分有限。升溫雖然可以提昇顯影的速度,但也同時減低顯影液對於曝光/未曝光光阻的選 擇性而損失精度。

增加曝光劑量提昇光阻的溶解速率則是一種較安全有效的方法,但光阻的曝光劑量有基本的限制,否則光阻因曝光斷鍵後的釋氣 (out-gassing)可能累積起泡而破壞微結構。因此在這些邊界條件的限制下,必須有新的策略才能有效地改變光阻內的劑量分布,達成加快顯影速率的 目的。

透過UD LIGA製程,同步輻射中心目前可製作深數釐米,精度2μm左右,深寬比大於30的精密微結構。基於此技術能量,同步輻射中心透過國際合作方式以該技術製 作2mm深的PMMA光刻模,SLAC再進行銅複合電鑄翻製加速器結構。經SLAC進行初步測試發現,該LIGA微加速器結構的品質參數非常接近理論計算 值。

同步輻射光源的微小化是加速器發展過程的極大挑戰,其中除了加速器設計的基礎外,加速器微結構的製作也是其成功的關鍵。同步輻射中心 微結構小組所開發的超深製程恰可滿足微加速器對於結構深度及精度的嚴苛要求,透過電鑄銅複合材料亦可符合材料性質的需要。

行政院同步輻射 中心與史丹佛線性加速器中心(SLAC)合作,已有不錯的初步成果,我們殷切期望此國際合作的成功,能為微加速器夢想的實現,跨出重要的一步。

2-15 類LIGA製程 (Poor Man LIGA)

2-15-1

由於同步輻射光源設備昂貴,故通常使用替代性光源進行類 LIGA製程,包含以下三種製程

(1) UV-LIGA

(2) Excimer Laser LIGA

(3) Reactive Ion Etching (RIE)

主要的替光源有:(1) 波長1.3mm的超導小型同步輻射,使用高敏感度光阻,曝光深度可達150um;(2) 波長200-300nm的深紫外光,曝光深度為數百um,深寬比為5-10;(3) 以F、Cl、C、O組成之氣體電漿,經電場加速形成異方性蝕刻的反應性離子蝕刻(RIE)法,此法的蝕刻深度可達500um,橫向精度1um,深寬比 15-20。這些取代光源的成本雖遠低於同步輻射光源,但是精密度也由X光深刻術的次微米精度降低到微米左右,同時深度及深寬比也相對降低。這些類 LIGA製程的光源設備所佔空間小,價格便宜許多,且在光源設備的改良與新光阻材料的開發下,亦可獲得令人滿意的加工品質,故仍具有競爭優勢。

2-15-2 LIGA製程vs. 類LIGA製程

2-15-3 UV-LIGA製程的發展

(1) 厚膜光阻材料的開發

(2) 特殊光阻塗佈機的發展

(3) UV曝光設備的改良

(4) 厚膜光阻材料

l AZ4000 series, Hoechst (Germany)

l ma-P 100, ma-N 400, Micro Resist technology (Germany)

l PMER P-LA 900, tok (Japan)

l Probimide, Olin microelectronic materials (Japan)

l THB-611P, THB-430N, JSR (Japan)

l SU-8, Microlithography chemical corporation (USA)

2-15-4 Laser (Excimer Laser) LIGA

(1) 在各種類LIGA製程中,以準分子雷射(excimer laser)的應用最受注目。準分子雷射是由惰性氣體與化學性質較活潑的鹵素相混合後,再經放電所激發之高功率深紫外光。準分子雷射因波的不同而有 ArF(193nm)、KrF(248nm)、XeCl(308nm)、XeF(351nm)等種類,但普遍應用在雷射LIGA的光源是ArF與KrF雷 射,其中ArF雷射適合加工PMMA,KrF適合加工聚亞醯胺(polyimide)與聚碳酸酯(polycarbonate)。因為準分子雷射屬於衝式 (pulsed)雷射,脈波時間約20ns、輸出脈波能量10?000mJ、最高脈波重複率200Hz,故可獲得百瓦級的均功率。在如此高功率的能量下, 準分子雷射適合加工金屬、陶瓷、玻璃及高分子等材料。

準分子雷射的加工機制為光分解挖除(photoablation),即工件材料吸收 短波長的準分子雷射後,將材料內的鍵結直接打斷而破壞,雷射照射區域的材料經斷鍵後會產生壓力急速上升,並強迫材料以微小爆炸(mini- explosion)的方式排出,而達到加工的目的。圖(十四)表示準分子雷射的光分解挖除加工機制。準分子雷射脈波的瞬間能量密度達數mW/cm2, 照射區的加工材料吸收能量後,深度100-500nm的薄層材料以高速噴出,每一個脈衝僅移去固定深度的薄層,故計算雷射脈波的次數即可精密地控制加工深 度。因每個雷射脈波的持續時間僅20ns,工件受到熱傳導影響的時間很短,而且熱量被移除的材料帶走,使得加工後的結構未受熱損害(thermal damage),而獲得最佳的加工品質。圖(十五)是分別以Nd:YAG雷射、CO2雷射、準分子雷射加工高分子polyimide的結果,由圖中可清楚 地看出以準分子雷射所加工的孔洞幾乎不受熱效應的影響,而獲得完美的表面及側壁(side wall)品質,因此準分子雷射加工可視為冷加工,適合作為雷射LIGA的光源。

圖(十四) 準分子雷射的光分解挖除加工機制示意圖

圖 (十五) 比較Polyimide以不同雷射加工的結果

(2) 準分子雷射微加工系統如下圖所示

準分子雷射微加工成品如 下圖所示

(3) 準分子雷射3D微加工

藉由CNC系統控制工件與光罩台的相對運動,並配合雷射重複率、能量密度 (fluence)及透鏡的數值孔徑(numerical aperture, NA)的設定,可控制雷射照射工件表面的劑量(dose)與入射角度,使特殊的3D得以實現。圖(十六)表示以控工件平台的運動形態進行曲面、多層 (multi-level )、斜面結構的加工,其原理是利用不同的工作運動形態控制雷射劑量。

圖(十六) 準分子雷射3D微加工示意圖

(4) LIGA Like 面臨的問題

l Need electro plating to thousands micron of thickness to achieve bulk strength

l Time consuming and high residual stress

l Residual stress caused deformation

l Draft angle will against de-molding for negative photo resist (SU-8)

(5) Laser LIGA技術的未來發展方向

l 更高深寬比微結構的開發:光刻設備、高敏感光阻

l 3D微結構的開發:曲面、複雜微結構

l 複合製程的開發:整合IC製程與微機械加工、製程設計規劃

l 新合金材料電鑄技術的開發:金屬基陶瓷複合材料

l 陶瓷材料成型及燒結技術的開發:壓電、磁致伸縮陶瓷

l 新型微系統產品的開發與應用

2-14-5 Reactive Ion Etching (RIE)

請參閱第四章之RIE 章節

Reference:

(1) Fundamentals of MICROFABRICATION                      Marc Madou

(2) Micro system Technology and Micro robotics          Fatikow Rembold

(3) 微機電系統之技術現況與發展 工研院 機械工業研究所

(4) 微機械技術實務與應用研討會 (86年5月17日於南台技術學院)

同 步輻射研究中心之微機械技術發展 同步輻射研究中心 程曜

(5) 微機械工程技術趼討會 (89年4月26日於崑山技術學院)

X 光深刻模造法 同步輻射中心 程曜

(6) 微機電系統研討會 (89年5月3日於南台科技大學機械工程系)

工研院微系統 實驗室技術簡介 吳清訢 主任

(7) 半導體製程與設備研討會 (89年11月8日於南台科技大學機械工程系)

國家毫米 實驗室柯富祥博士

(8) 微影蝕刻技術之應用研討會(89年10月18日於南台科技大學機械工程系)

微影成像技術瓶頸與 未來趨勢 張春生 教授

(9) 第四屆奈米工程與微系統技術研討會 (89年11月1~2日)

LIGA微加速器 同步輻射研究中心 微機構小組 許博淵 程曜

(10) 電子束光碟片模刻版技術

工研院機械所 微電部 羅士哲、王鴻年

(11) 半導體製造技術

文京書局 張景學

(12) 積體電路製程技術

五南書局  李世鴻

(13) 工業技術人才培訓計畫講義

VLSI 製程概論 (89年10月~12月)

(14) LIGA and LIGA Like Processes    

師範大學 楊啟榮 教授

 

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Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting toolaerospace tool .HSS  DIN Cutting toolCarbide end millsCarbide cutting toolNAS Cutting toolNAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 Cutting Tools,Carbide end milldisc milling cutter,Aerospace cutting toolhss drillФрезерыCarbide drillHigh speed steelCompound SharpenerMilling cutterINDUCTORS FOR PCDCVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )’PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) Core drillTapered end millsCVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden FingerPCD V-CutterPCD Wood toolsPCD Cutting toolsPCD Circular Saw BladePVDD End Millsdiamond tool. INDUCTORS FOR PCD . POWDER FORMING MACHINE Single Crystal Diamond Metric end millsMiniature end millsСпециальные режущие инструменты Пустотелое сверло Pilot reamerFraisesFresas con mango PCD (Polycrystalline diamond) ‘FresePOWDER FORMING MACHINEElectronics cutterStep drillMetal cutting sawDouble margin drillGun barrelAngle milling cutterCarbide burrsCarbide tipped cutterChamfering toolIC card engraving cutterSide cutterStaple CutterPCD diamond cutter specialized in grooving floorsV-Cut PCD Circular Diamond Tipped Saw Blade with Indexable Insert PCD Diamond Tool Saw Blade with Indexable InsertNAS toolDIN or JIS toolSpecial toolMetal slitting sawsShell end millsSide and face milling cuttersSide chip clearance sawsLong end millsend mill grinderdrill grindersharpenerStub roughing end millsDovetail milling cuttersCarbide slot drillsCarbide torus cuttersAngel carbide end millsCarbide torus cuttersCarbide ball-nosed slot drillsMould cutterTool manufacturer.

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情報を受け取って頂き、もっと各産業に競争力プラス展開。

弊 社は専門なエンドミルの製造メーカーで、客先に色んな分野のニーズ

豊富な パリエーションを満足させ、特にハイテク品質要求にサポート致します。

弊社は各領域に供給できる内容は:

(1)精密HSSエンドミルのR&D

(2)Carbide Cutting tools設計

(3)鎢鋼エンドミル設計

(4)航空エンドミル設計

(5)超高硬度エンドミル

(6)ダイヤモンドエンドミ ル

(7)医療用品エン ドミル設計

(8)自動車部品&材料加工向けエンドミル設計

弊社の製品の供給調達機能は:

(1)生活産業~ハイテク工業までのエンドミル設計

(2)ミクロエ ンドミル~大型エンドミル供給

(3)小Lot生産~大量発注対応供給

(4)オートメーション整備調達

(5)スポット対応~流れ生産対応

弊社の 全般供給体制及び技術自慢の総合専門製造メーカーに貴方のご体験を御待ちしております。

Bewise Inc. talaşlı imalat sanayinde en fazla kullanılan ve üç eksende (x,y,z) talaş kaldırabilen freze takımlarından olan Parmak Freze imalatçısıdır. Çok geniş ürün yelpazesine sahip olan firmanın başlıca ürünlerini Karbür Parmak Frezeler, Kalıpçı Frezeleri, Kaba Talaş Frezeleri, Konik Alın Frezeler, Köşe Radyüs Frezeler, İki Ağızlı Kısa ve Uzun Küresel Frezeler, İç Bükey Frezeler vb. şeklinde sıralayabiliriz.

BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт  www.tool-tool.com  для получения большей информации.

BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web  www.tool-tool.com  for more info.

 

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铰刀
英文名称:
cutter;reamer
定义1:
用螺旋型刀片或带齿刀片组成球冠状滚切泥层的机械松土器。
所属学科:
船舶工程(一级学科) ;专用船特有设备(二级学科) ;工程船(三 级学科)
定义2:
一种孔的精加工刀具,有多刃和单刃两类。
所属学科:
机械工程(一级学科) ;刀具(二级学科) ;刀具名称(三级学科)

铰刀(卷名:机械工程)具有一个或多个刀齿、用以切除已加工孔表

碧威-廣告稿

面薄层金属的旋转刀具。

   jiǎodāo

具有直刃或螺旋刃的旋转精加工刀具,用于扩孔或修孔

 

用途

铰刀具有一个或者多个刀齿,用以切除孔已加工表面薄金属层的旋转刀具。经过绞刀加工后的孔可以获得精确的尺寸和形状。

  铰刀用于铰削工件上已钻削(或扩孔)加工后的孔,主要 是为了提高孔的加工精度,降低其表面的粗糙度,是用于孔的精加工和半精加工的刀具,加工余量一般很小。

  用来加工圆柱形孔的铰刀比较 常用。用来加工锥形孔的铰刀是锥形铰刀,比较少用。按使用情况来看有手用铰刀和机用铰刀,机用铰刀又可分为直柄铰刀和锥柄铰刀。手用的则是直柄型的。

种类

铰刀结构大部分由工作部分及柄部组成。工作部分主要起切削和校准功能,校准处直径有倒锥度。而柄部则用 于被夹具夹持,有直柄和锥柄之分。

  按不同的用途铰刀可分许多种,因此关于铰刀的标准也比较多,我们较常用的一些标准有 GB/T1131手用铰刀,GB/T1132直柄机用铰刀,GB/T1139直柄莫氏圆锥铰刀等等。

  铰刀按使用方式分为手用铰刀和 机用铰刀;按铰孔形状分为圆柱铰刀和圆 锥铰刀,(标准锥铰刀有1:50锥度销子铰刀和莫氏锥度铰刀两种类型).铰刀的容屑槽方向,有直槽和螺旋槽.常用的材质为高速钢.硬质合金镶片.

   手用铰刀一般材质为合金工具钢(9SiCr),机用铰刀材料为高速钢(HSS),机用铰刀分为直柄机用铰刀和锥柄机用铰刀

  铰刀精 度有D4,H7,H8,H9等精度等级。

  按铰孔的形状分圆柱形、圆锥形和阶梯形3种;

  安装夹方法分带柄式和 套装式两种;

  按齿槽的形状分直槽和螺旋槽两种

  一.手工铰孔一般注意事项:1.工件要夹正.2.铰削过程中, 两手用力要平衡.3.铰刀退出时,不能反转,因铰刀有后角,铰刀反转会使切屑塞在铰刀刀齿后面和孔壁之间,将孔壁划伤;同时,铰刀易磨损.4.铰刀使用完 毕,要清擦干净,涂上机油,装盒以免碰伤刃口.

  二.机铰时注意铰削速度和走刀量(查金属切削手册)

  三.铰削 中,必须采用合理的冷却润滑液.

  手用的导锥锥度较小,前角、后角较小,刃口较锋利,一般刃带较窄,或导锥处干脆没有。

 

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版2ec3

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難削材とは文字通り削りにくい、加工しにくい材料や素材のことをいい、次 の3つの特性を挙げることができます。

  • 材質そのものが削りにくい材料(ステンレス鋼、チタン合金、超耐熱合金などで、難削性 を引き起こす材料特性を有するもの)
  • 被削性の不明な材料(主に切削データのない新素材など)
  • 発火・引火しや すい材料(マグネシウムなど)
難削材が生み出す諸問題
こうした難削材が持つ特性により、実際の生産 活動においては次のような諸問題を生み出すことになります。
  • 工具寿命が短い
  • 表面粗さや寸法精度が出 ない
  • 工具寿命の長さがばらつく
  • こば欠けやバリが発生する
  • 工具欠損やピッチングの発生
  • 切削熱が上昇しやすい
  • 溶着が発生する
  • 切削抵抗が大きい
  • 切りく ず処理性が悪い
  • 加工が不安定で自動加工できない

図1は一般材と難削材のフライス加工のV-T線図で す。正しい加工条件においても難削材の加工は著しく工具寿命を落とすことが分かります。

画像をクリックすると拡大します

 

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そうした諸問題を抱える難削材ですが、日本国内の産業における成熟化とグ ローバルな競争環境の進展から、その活用がより求められています。なぜならものづくりの高付加価値化を追求していけば、航空宇宙、原子力、燃料電池、ハイ ブリッド自動車など、より軽量・高強度・耐熱性の高い素材のニーズが高まるからです。そしてこれら素材の大半が難削材なのです。

つまり国 内製造業の競争力強化のためにも、難削材の活用が必要不可欠なのです。主な難削材の使用例を以下に挙げます。

主な難削材の使用例
主な難削材の使用例
航空機
  • アルミニウム合金
  • チタニウム
  • CFRP
    (炭素複合物)
ジェットエンジン
  • インコネル
  • ハステロイ
  • ステンレス合金
ハイブリッド自動車
  • アルミニウム合金
  • エンジニアリングプラスチック
  • セラミックス
エンジン
  • アルミニウム合金
  • セラミックス
  • 耐熱合金

主な難削材の使用例

原子炉
  • ステンレス合金
  • インコネル
  • 耐熱合金
燃料エンジン
  • カーボン
  • セラミックス
  • 銅合金
IT機器・携帯電話
  • マグネシウム
  • セラミックス
  • 銅合金
  • ガラス
  • 単 結晶シリコン
  • ニッケル
医療関連
  • チタニウム
  • セラミックス

 

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Bewise Inc. talaşlı imalat sanayinde en fazla kullanılan ve üç eksende (x,y,z) talaş kaldırabilen freze takımlarından olan Parmak Freze imalatçısıdır. Çok geniş ürün yelpazesine sahip olan firmanın başlıca ürünlerini Karbür Parmak Frezeler, Kalıpçı Frezeleri, Kaba Talaş Frezeleri, Konik Alın Frezeler, Köşe Radyüs Frezeler, İki Ağızlı Kısa ve Uzun Küresel Frezeler, İç Bükey Frezeler vb. şeklinde sıralayabiliriz.

BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт  www.tool-tool.com  для получения большей информации.

BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web  www.tool-tool.com  for more info.

 

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版2ec2

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工作物の切削のしにくさを定量的に示す指標に、被削性指数率があります。 この指数は硫黄快削(AISI‐B1112) 鋼を削り、一定の工具寿命に対する切削速度を100として、比較する工作物材料の同一工具寿命に対する切削速度を百分率で表すものです。

被削性率M.R

表1は代表的な工作物の被削性率です。快削鋼を100とすれば、マルテンサイト系のス テンレス鋼は55~40、チタニウムは30~20、インコネルXは15~6となります。

代表的な工作物の被削性率

ただし、以下のようなケースでは被削性指数が適用できないことがあります。

  • 切削加工の形態(例:フライスor旋盤)の違いで特性が異なるケース
  • 切削工具の材種が超硬以外のものであるケース
  • 切 削データの無い新素材のケース
難削材の被削性ピラミッド

また、図2に工具損傷の視点に立ち、加工の難 易度を表した難削材のピラミッドを示します。 この表は難削性を、工具寿命と適用できる加工条件との関連において示したものです。

例えば セラミックスは工具寿命が最も短く、また適用できる加工条件の幅も非常に狭く、その結果最も切削しにくい材料であると位置づけています。

画像をクリックすると拡大します

難削材のピラミッド

実際には、難削材の種類や削りにくさ の程度は、材料特性と切削加工の技術レベルの関係で決まります。 従って、難削材のピラミッドの被削性の順位は、技術者の技術力や技能、ノウハウの習得レベルで異なってくるのです。

ですから、この図のピ ラミッドの頂点に近い位置にある難削材でも、長い間 研究と経験を積み上げて技術力を培うと、底辺方向に移動させることができるし、このピラミッドから除外することも不可能ではありません。

難 削材のピラミッドは一般論としての指標と考えていただければ良いでしょう。

 

歡 迎來到Bewise Inc.的世界,首先恭喜您來到這接受新的資訊讓產業更有競爭力,我們是提供專業刀具製 造商,應對客戶高品質的刀具需求,我們可以協助客戶滿足您對產業的不同要求,我們有能力達到非常卓越的客戶需求品質,這是現有相關技術無法比擬的,我們成 功的滿足了各行各業的要求,包括:精密HSS DIN切削刀具協 助客戶設計刀具流程DIN or JIS 鎢鋼切削刀具設計NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 航太切削刀具,NAS航太刀具設計超高硬度的切削刀具醫療配件刀具設計複合式再研磨機PCD地板專用企口鑽石組合刀 具粉末造粒成型機主機版專用頂級電桿PCD V-Cut捨棄式圓鋸片組粉末成型機主機版專用頂級電汽車業刀具設計電子產業鑽石刀具木工產業鑽石刀具銑刀與切斷複合再研磨機銑刀與鑽頭複合再研磨機銑刀與螺絲攻複合再研磨機等等。我們的產品涵蓋了從民生 刀具到工業級的刀具設計;從微細刀具到大型刀具;從小型生產到大型量產;全自動整合;我們的技術可提供您連續生產的效能,我們整體的服務及卓越的技術,恭 迎您親自體驗!!

BW Bewise Inc. Willy Chen willy@tool-tool.com bw@tool-tool.com www.tool-tool.com skype:willy_chen_bw mobile:0937-618-190 Head &Administration Office No.13,Shiang Shang 2nd St., West Chiu Taichung,Taiwan 40356 http://www.tool-tool.com / FAX:+886 4 2471 4839 N.Branch 5F,No.460,Fu Shin North Rd.,Taipei,Taiwan S.Branch No.24,Sec.1,Chia Pu East Rd.,Taipao City,Chiayi Hsien,Taiwan

Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting toolaerospace tool .HSS  DIN Cutting toolCarbide end millsCarbide cutting toolNAS Cutting toolNAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 Cutting Tools,Carbide end milldisc milling cutter,Aerospace cutting toolhss drillФрезерыCarbide drillHigh speed steelCompound SharpenerMilling cutterINDUCTORS FOR PCDCVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )’PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) Core drillTapered end millsCVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden FingerPCD V-CutterPCD Wood toolsPCD Cutting toolsPCD Circular Saw BladePVDD End Millsdiamond tool. INDUCTORS FOR PCD . POWDER FORMING MACHINE Single Crystal Diamond Metric end millsMiniature end millsСпециальные режущие инструменты Пустотелое сверло Pilot reamerFraisesFresas con mango PCD (Polycrystalline diamond) ‘FresePOWDER FORMING MACHINEElectronics cutterStep drillMetal cutting sawDouble margin drillGun barrelAngle milling cutterCarbide burrsCarbide tipped cutterChamfering toolIC card engraving cutterSide cutterStaple CutterPCD diamond cutter specialized in grooving floorsV-Cut PCD Circular Diamond Tipped Saw Blade with Indexable Insert PCD Diamond Tool Saw Blade with Indexable InsertNAS toolDIN or JIS toolSpecial toolMetal slitting sawsShell end millsSide and face milling cuttersSide chip clearance sawsLong end millsend mill grinderdrill grindersharpenerStub roughing end millsDovetail milling cuttersCarbide slot drillsCarbide torus cuttersAngel carbide end millsCarbide torus cuttersCarbide ball-nosed slot drillsMould cutterTool manufacturer.

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よ うこそBewise Inc.の 世界へお越し下さいませ、先ず御目出度たいのは新たな

情報を受け取って頂き、もっと各産業に競争力プラス展開。

弊 社は専門なエンドミルの製造メーカーで、客先に色んな分野のニーズ

豊富な パリエーションを満足させ、特にハイテク品質要求にサポート致します。

弊社は各領域に供給できる内容は:

(1)精密HSSエンドミルのR&D

(2)Carbide Cutting tools設計

(3)鎢鋼エンドミル設計

(4)航空エンドミル設計

(5)超高硬度エンドミル

(6)ダイヤモンドエンドミ ル

(7)医療用品エン ドミル設計

(8)自動車部品&材料加工向けエンドミル設計

弊社の製品の供給調達機能は:

(1)生活産業~ハイテク工業までのエンドミル設計

(2)ミクロエ ンドミル~大型エンドミル供給

(3)小Lot生産~大量発注対応供給

(4)オートメーション整備調達

(5)スポット対応~流れ生産対応

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難削材の特性と材質の例

難削材の各特性に適合した工具 型番

こうした難削材の各特性に適合する切削工具メーカー各社の工具型番を参考までに下記に示します。

材料名
エ ンドミル

OSG
ユニオンツール
日立
ツール
NACHI
三菱
マテリアル

高 硬度材
HRC50超
WXL-EDS、WX-EDS
C-CES
CEPR-TH
GS、GSX
VC-MD

HRC50 超
WXS-EMS
CEPR-TH
CEPR-TH
GSH
VF-MD

高合金チルド鋳鉄
WXL- EDS、WX-EDS
HMS
CEPR- TH
GS、GSX
VC-2MS

ステライト
WXL- EDS、WX-EDS
C-CES
CERP-TH
GS、GSX
VC-6MH

超硬合金、セラミック
ED-DS
-
CERP-TH
-
DLC-2MA

短結晶シリコン
ED-DS
-
-
2DSE
DLS-2MA

FRP
CA- RG-EDS、CAP-ES
CPS、CEC
ERG-HD
GS、GSX
DLC-2MA

コバール
WXL- EDS、WX-EDS
C-CES
EPP-CS
2GEOKV、4GEOKV
MS-2MS

強化物質含有の複 合材料
DIA-EDS
CPS、CEC
-
2DSE
DLC-2MA

超耐熱合金
WX-PHS
HMS
EAP-TH
XSSUS
VC-MHDRB

耐熱鋼
WX-PHS
HMS
EAP-TH
GS、XSSUS
VC-6MH

ステンレ ス鋼
WXL-EDS
C-CES
EAP-TH
GS、XSSUS
VC-2MS

球状黒鉛鋳鉄
WXL- EDS、WX-EDS
HMS
CERP-TH
GS、GSX
VC-2MS

高速度工具鋼
WXL- EDS、WX-EDS
HMS
CERP-TH、EPP-TH
GS、GSX
VF-MD

ダイス鋼
WXL- EDS、WX-EDS
HMS
CERP-TH、EPP-TH
GS、GSX
VF-MD

高マンガン鋼
WXL- EDS、WX-EDS
HMS
EPP-CS
GS、GSX
MS-2MS

マルエージング
WXL- EDS、WX-EDS
HMS
EAP-TH
GS、GSX
MS-2MS

焼結鋼
WXL-EDS、 WX-EDS
C-CES
-
GS、GSX
MS-2MS

高シリコンアルミ合金
DIA-EDS
CAS
EGR- HD、EPAS-SD
2DSE
DC-2MS

高マンガン鋳物鋼
WXL-EDS、WX-EDS
HMS
-
GS、 GSX
VC-2MS

チタン、チタン合金
WXL-EDS、WX-PHS
C-CES
EAP-TH
GS、 GSX
MS-2MS

サーメット
ED-DS
-
-
-
DLC-2MA

耐火煉 瓦
ED-DS
-
-
-
MS-2MS

天然岩石
ED-DS
-
-
-
MS-2MS

アルミニューム及びその合金、純銅、無酸素銅、純鉄、銅合金、純ニッケル
CA-RG-EDS、CAP-ES、DIA-EDS
CAS、 CRN-ES
EPAS-SD
2DLCM、CU2、CU4
C-2LA

 

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難削材のピラミッド

3項で解説した難削材の被削性ピラ ミッドを一般に材質では加工難易度は上図ピラミッドに基づきます。

また切削条件をどの程度まで上げられるかということも加工工数を見積る 上でポイントになります。

例えば加工速度が上げられず予想以上に工数(コスト)がかかってしまうこともあるので注意が必要です。

ま たグラファイトのように加工機を著しく傷める材質やマグネシウムのように発火の恐れがある材質、さらにアルミニウムやチタンなど粉塵爆発を起こす恐れのあ る材質もあるので注意が必要です。

 

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