纳米科学与技术-第五讲
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5.第五讲 科学技术的本质和特征
▲技术的自主性与社会建构性：技术有独立性， 有自己发展的规律，它有塑造人、控制人，引领 社会的一面，但同时任何技术又都受社会的影响， 有社会政治、经济和文化来选择和建构。
三、科学与技术的关系
1、科学与技术的区别
总体上看，科学是一种认识活动，技术则是 一种实践活动，这就决定了二者有根本的区别， 也有紧密的联系。
科学是人对自然界规律的认识知识，这一知识对人类 能动的改造自然界和社会提供了潜在的基础，是一种知 识形态的生产力。但随着近代科学向现代科学过渡，工 业社会向信息社会的过渡，科学和技术一体化加快，科 学知识形态的潜在生产力逐步让位于现实生产力，第一 生产力特征越发明显。
4、科学是一种社会建制
随着科学日益渗透到社会各方面，科学成长为一种 重要的社会事业，一种社会建制。它向社会的其它子系 统一样，有一个独立的社会体系结构，同时与社会其它 子系统形成密切联系；作为社会建制的科学是科学演化 发展的结果，大科学必然导致科学社会建制化。
▲技术科学化
技术活动的复杂性日益需要科学理论、科学方法 的指导，才能完成。如经验技术通过科学分析上升为 技术科学，科学原理转为技术原理形成技术成果。
•
1、有时候读书是一种巧妙地避开思考 的方法 。20.1 2.1220. 12.12Sa turday, December 12, 2020
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2、阅读一切好书如同和过去最杰出的 人谈话 。10:4 3:5610: 43:5610 :4312/ 12/2020 10:43:56 AM
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3、越是没有本领的就越加自命不凡。 20.12.1 210:43: 5610:4 3Dec-20 12-Dec-20
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4、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的 错儿。 10:43:5 610:43: 5610:4 3Saturday, December 12, 2020
三、科学与技术的关系
1、科学与技术的区别
总体上看，科学是一种认识活动，技术则是 一种实践活动，这就决定了二者有根本的区别， 也有紧密的联系。
科学是人对自然界规律的认识知识，这一知识对人类 能动的改造自然界和社会提供了潜在的基础，是一种知 识形态的生产力。但随着近代科学向现代科学过渡，工 业社会向信息社会的过渡，科学和技术一体化加快，科 学知识形态的潜在生产力逐步让位于现实生产力，第一 生产力特征越发明显。
4、科学是一种社会建制
随着科学日益渗透到社会各方面，科学成长为一种 重要的社会事业，一种社会建制。它向社会的其它子系 统一样，有一个独立的社会体系结构，同时与社会其它 子系统形成密切联系；作为社会建制的科学是科学演化 发展的结果，大科学必然导致科学社会建制化。
▲技术科学化
技术活动的复杂性日益需要科学理论、科学方法 的指导，才能完成。如经验技术通过科学分析上升为 技术科学，科学原理转为技术原理形成技术成果。
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1、有时候读书是一种巧妙地避开思考 的方法 。20.1 2.1220. 12.12Sa turday, December 12, 2020
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2、阅读一切好书如同和过去最杰出的 人谈话 。10:4 3:5610: 43:5610 :4312/ 12/2020 10:43:56 AM
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3、越是没有本领的就越加自命不凡。 20.12.1 210:43: 5610:4 3Dec-20 12-Dec-20
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4、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的 错儿。 10:43:5 610:43: 5610:4 3Saturday, December 12, 2020
化学中的纳米科学与技术知识点
化学中的纳米科学与技术知识点在化学领域中，纳米科学与技术已成为研究的热点和前沿。
纳米科学的发展使得人们能够在纳米尺度上控制和利用物质的性质，这为新材料的设计与制备、能源的储存与传输、环境治理等方面提供了新的途径和方法。
本文将介绍化学中的纳米科学与技术的基本概念、应用领域以及前景展望。
一、纳米科学与技术的基本概念纳米科学是研究纳米尺度下物质的性质、制备、调控和应用的一门跨学科科学。
纳米尺度通常指的是1到100纳米的范围，其中1纳米等于十亿分之一米。
在纳米尺度下，物质的性质常常呈现出与宏观尺度不同的特殊性质，如光学、电学、磁学、力学等性质的变化。
纳米技术是一种通过控制和操纵物质的最小单元——原子和分子，实现对物质结构和性能的精确控制的技术和方法。
通过纳米技术，人们能够制备出纳米颗粒、薄膜、纳米线等纳米结构材料，并利用其特殊性质开展各种应用。
二、纳米科学与技术的应用领域1. 纳米材料的设计与制备纳米科学与技术为新材料的设计与制备提供了新的思路与方法。
纳米材料具有较大的比表面积和较小的粒径，这使得纳米材料具有独特的化学、物理、光学等性质。
通过控制纳米材料的结构与性质，可以实现材料的多功能化、高性能化以及可控制备。
2. 纳米催化与化学反应纳米科学与技术在催化领域有着广泛的应用。
纳米催化剂具有高比表面积、独特的晶体结构和特殊的表面性质，可以提供更多的反应活性位点和更好的反应选择性。
纳米催化剂在有机合成、环境治理、能源转化等领域发挥重要作用。
3. 纳米传感器和纳米电子器件纳米科学与技术为传感器和电子器件的制备提供了新的思路和方法。
通过纳米材料的特殊性质，可以制备出高灵敏度、高选择性的传感器，并应用于生物医学、环境监测、食品安全等领域。
同时，纳米电子器件可以实现更小型化、更高性能的电子器件，推动电子信息技术的发展。
三、纳米科学与技术的前景展望纳米科学与技术作为一门新兴学科，具有广阔的前景和潜力。
随着纳米材料的不断研究和应用，人们对纳米尺度下物质的性质和行为有了更深入的认识，纳米科学也得到了快速发展。
第五讲 多孔材料和层状材料
通过控制孔道尺寸和形状来得到特殊分子筛性质的多孔材料沸石的微孔将反应物的尺寸限制在约10以下即使通过孔道修饰与改性也受到原来孔径尺寸的限制而难以改变孔径大小为250nm范围内的介孔材料的出现为这些努力提供了可能
第五讲 多孔材料和层状材料
无机化学新材料领域中，孔道材料及层状 材料是具有理论和实际应用价值的一类材料， 在国防、生产和生活多领域得到应用。本讲简 要介绍多孔材料及插层化学等基本知识。
分子筛转பைடு நூலகம்机理：
一.固相转化机理
一.液相转化机理
合成途径：起初发现天然沸石存在于地下火山孔洞中， 从而初期的合成沸石都是模拟地质上生成沸石的环境，采用 高温水热技术。 后来发现地表处也存在天然沸石，而采用低温水热合成 技术（25－150º C）。 1954年末，A型分子筛和X型分子筛开始工业化，一系列 低硅铝比（Si/Al=2.5)的人工合成沸石如NaY等合成及应用。 1959年我国合成了A型分子筛和X型分子筛，随后合成了 Y型分子筛，目前主要用于石油炼制和石油化工中吸附和催化 材料。 优点：纯度高，孔径的均匀性和离子交换性好，应用范 围广，天然沸石具有价格优势。
●
从十二元环微孔到超大微孔
1988 年 , Davis M E 等 十 八 元 环 园 形 孔 口 磷 酸 铝 VPI-5 （12.7Å×12.7Å), (H2O)42[Al18P18O72]，从此出现了超大微孔的概念。 大多为微孔金属磷酸盐且为一微孔道结构。 结构特点： 骨架结构由不同的配位态金属等基本结构单元组成，如[AlO4] 等； 骨架中具有未饱和交联的P=O,P-OH,Al-OH等端基结构； 由于这类结构易于在多胺基、长链和较大分子的结构导向剂存 在下生成，有时还需在F-离子体系中生成，因而骨架中常存在F-，其 次结构中的非键合作用往往与结构导向剂分子相连接。 应用： 大分子催化的研究加快，也使以具有超大微孔结构化合物为主 体的主－客体化学及相应先进材料的研究与应用加快。
第五讲 多孔材料和层状材料
无机化学新材料领域中，孔道材料及层状 材料是具有理论和实际应用价值的一类材料， 在国防、生产和生活多领域得到应用。本讲简 要介绍多孔材料及插层化学等基本知识。
分子筛转பைடு நூலகம்机理：
一.固相转化机理
一.液相转化机理
合成途径：起初发现天然沸石存在于地下火山孔洞中， 从而初期的合成沸石都是模拟地质上生成沸石的环境，采用 高温水热技术。 后来发现地表处也存在天然沸石，而采用低温水热合成 技术（25－150º C）。 1954年末，A型分子筛和X型分子筛开始工业化，一系列 低硅铝比（Si/Al=2.5)的人工合成沸石如NaY等合成及应用。 1959年我国合成了A型分子筛和X型分子筛，随后合成了 Y型分子筛，目前主要用于石油炼制和石油化工中吸附和催化 材料。 优点：纯度高，孔径的均匀性和离子交换性好，应用范 围广，天然沸石具有价格优势。
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从十二元环微孔到超大微孔
1988 年 , Davis M E 等 十 八 元 环 园 形 孔 口 磷 酸 铝 VPI-5 （12.7Å×12.7Å), (H2O)42[Al18P18O72]，从此出现了超大微孔的概念。 大多为微孔金属磷酸盐且为一微孔道结构。 结构特点： 骨架结构由不同的配位态金属等基本结构单元组成，如[AlO4] 等； 骨架中具有未饱和交联的P=O,P-OH,Al-OH等端基结构； 由于这类结构易于在多胺基、长链和较大分子的结构导向剂存 在下生成，有时还需在F-离子体系中生成，因而骨架中常存在F-，其 次结构中的非键合作用往往与结构导向剂分子相连接。 应用： 大分子催化的研究加快，也使以具有超大微孔结构化合物为主 体的主－客体化学及相应先进材料的研究与应用加快。
纳米技术ppt课件
在第四个阶段中纳米计算机将得以实现。这个阶段的市场规模将 达到2000亿至1万亿美元。
在第五阶段里，科学家们将研制出能够制造动力源与程序自律化 的元件和装置，市场规模将高达6万亿美元。
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5. 纳米技术的主要研究项目
主要有超细薄膜、碳纳米管、纳米陶瓷、金属纳米晶体和 量子点线等。
1) 超细薄膜
超细薄膜的厚度通常只有1纳米-5纳米，甚至会做成1个分 子或1个原子的厚度。超细薄膜可以是有机物也可以是无机物， 具有广泛的用途。如沉淀在半导体上的纳米单层，可用来制 造太阳能电池，对开发新型清洁能源有重要意义；将几层薄 膜沉淀在不同材料上，可形成具有特殊磁特性的多层薄膜， 是制造高密度磁盘的基本材料。
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3) 陶瓷材料 陶瓷材料在通常情况下具有坚硬、易碎的特点，但
由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的 韧性，有的可大幅度弯曲而不断裂，表现出金属般的 柔韧性和可加工性。
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纳米技术的内容
纳米技术包含下列四个主要方面： 1、纳米材料：
当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性 能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子， 也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺 度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。
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2) 碳纳米管
碳纳米管是由碳60分子经加工形成的一种直径只有几纳米 的微型管，是纳米材料研究的重点之一。与其它材料相比， 碳纳米管具有特殊的机械、电子和化学性能，可制成具有导 体、半导体或绝缘体特性的高强度纤维，在传感器、锂离子 电池、场发射显示、增强复合材料等领域有广泛应用前景， 因而受到工业界的普遍重视。目前，碳纳米管虽仍处于研究 阶段，但许多研究成果已显示出良好的应用前景。
在第五阶段里，科学家们将研制出能够制造动力源与程序自律化 的元件和装置，市场规模将高达6万亿美元。
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5. 纳米技术的主要研究项目
主要有超细薄膜、碳纳米管、纳米陶瓷、金属纳米晶体和 量子点线等。
1) 超细薄膜
超细薄膜的厚度通常只有1纳米-5纳米，甚至会做成1个分 子或1个原子的厚度。超细薄膜可以是有机物也可以是无机物， 具有广泛的用途。如沉淀在半导体上的纳米单层，可用来制 造太阳能电池，对开发新型清洁能源有重要意义；将几层薄 膜沉淀在不同材料上，可形成具有特殊磁特性的多层薄膜， 是制造高密度磁盘的基本材料。
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3) 陶瓷材料 陶瓷材料在通常情况下具有坚硬、易碎的特点，但
由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的 韧性，有的可大幅度弯曲而不断裂，表现出金属般的 柔韧性和可加工性。
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纳米技术的内容
纳米技术包含下列四个主要方面： 1、纳米材料：
当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性 能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子， 也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺 度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。
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2) 碳纳米管
碳纳米管是由碳60分子经加工形成的一种直径只有几纳米 的微型管，是纳米材料研究的重点之一。与其它材料相比， 碳纳米管具有特殊的机械、电子和化学性能，可制成具有导 体、半导体或绝缘体特性的高强度纤维，在传感器、锂离子 电池、场发射显示、增强复合材料等领域有广泛应用前景， 因而受到工业界的普遍重视。目前，碳纳米管虽仍处于研究 阶段，但许多研究成果已显示出良好的应用前景。
纳米科学与技术教学大纲
纳米科学与技术教学大纲一、引言纳米科学与技术作为当前高新技术领域中备受关注的学科之一，其研究和应用正日益受到重视。
因此，制定一份完善的纳米科学与技术教学大纲对于培养学生的创新意识、科学精神以及掌握前沿技术至关重要。
本教学大纲将围绕纳米科学与技术的基本概念、发展历程、实际应用等方面展开，力求全面系统地介绍相关知识，为学生提供扎实的学习基础。
二、课程设置1. 纳米科学与技术概述- 纳米科学与技术的定义和基本概念- 纳米领域的发展历程及重要里程碑- 纳米尺度的特殊性质和应用前景2. 纳米材料与纳米结构- 纳米材料的种类及特点- 纳米结构的制备方法和表征技术- 纳米材料在材料科学和工程中的应用3. 纳米生物学与生物技术- 纳米生物学的基本概念和研究内容- 纳米技术在生物领域的应用和发展趋势- 纳米生物技术的伦理和安全问题4. 纳米电子学与光学- 纳米电子学和光学的基本原理- 纳米电子器件和光学器件的制备和性能- 纳米电子光学设备在信息技术中的应用5. 纳米技术的产业与应用- 纳米技术产业的发展现状和趋势- 纳米技术在材料、医药、能源等领域中的应用- 纳米技术的未来发展方向和挑战三、教学目标1. 了解纳米科学与技术的基本概念和发展历程，掌握其在不同领域的应用特点和前沿动态。
2. 掌握纳米材料和纳米结构的制备、表征和性能分析方法，具备相关实验技能。
3. 熟悉纳米生物学与生物技术的理论基础和实践应用，了解其在医学和生物工程中的重要性。
4. 理解纳米电子学与光学的基本原理和器件制备技术，掌握相关电子光学设备的使用和维护方法。
5. 了解纳米技术产业的发展现状和前景，认识纳米技术对经济和社会的影响及挑战。
四、教学内容1. 纳米科学与技术概述- 纳米科学与技术的定义和基本概念- 纳米领域的研究范围和意义- 纳米科学与技术的国际发展状况2. 纳米材料与纳米结构- 纳米材料的种类和制备方法- 纳米结构的特殊性质和应用领域- 纳米材料在材料科学和工程中的应用案例3. 纳米生物学与生物技术- 纳米尺度下生物学规律的变化- 纳米技术在医学影像和药物传递中的应用- 纳米生物技术的伦理和安全问题4. 纳米电子学与光学- 纳米半导体器件的特性和应用- 纳米光学结构的调控和性能- 纳米光电子器件在信息技术中的应用案例5. 纳米技术的产业与应用- 纳米技术产业链和价值链的分析- 纳米技术在材料、医药、能源等产业中的应用- 纳米技术在环境保护和节能减排中的潜力五、教学方法1. 理论讲授：通过课堂讲解、案例分析等形式，深入讲解纳米科学与技术的基本理论和实践应用。
哈工大纳米科学与技术教学课件
航空宇航制造工程系
Dept.of Aeronautics and Astronautics Manufacturing Engineering
1959年12月，著名理论物理学家、诺贝尔奖获
得者费曼作了“There‘s Plenty of Room at the Bottom”的报告：“我认为物理学原理并不排斥 通过操纵单个原子来制造物质。这样做并不违 反任何定理，而且在原则上是可以实现的”。 《在底部还有很大空间》
航空宇航制造工程系
Dept.of Aeronautics and Astronautics Manufacturing Engineering
纳米技术发展历程 航空宇航制造工程系
Dept.of Aeronautics and Astronautics Manufacturing Engineering
约1861年，胶体化学的建立(Colloid
Chemistry)，科学家就 开始了对于直径1~100 nm的粒子系统，即所谓胶体的研究。 但是当时并没有意识到在这个尺寸范围是人们认识世界的一 个新层次，而只是从化学的角度研究，并没有从纳米材料的 角度或其特殊性能作为重点。
航空宇航制造工程系
Dept.of Aeronautics and Astronautics Manufacturing Engineering
航空宇航制造工程系 通过纳米材料的光催化从水、二氧化碳和氮气中提取有用物质，例如，液体燃料一直是人们研究的重要课题 Dept.of Aeronautics and Astro，最近日本利用纳米铂作为催化剂放在氧化钛的载体上，在加入甲醇的水溶液中通过光照射成功地制取了氢。
航空宇航制造工程系
Dept.of Aeronautics and Astro-nautics Manufacturing Engineering
Dept.of Aeronautics and Astronautics Manufacturing Engineering
1959年12月，著名理论物理学家、诺贝尔奖获
得者费曼作了“There‘s Plenty of Room at the Bottom”的报告：“我认为物理学原理并不排斥 通过操纵单个原子来制造物质。这样做并不违 反任何定理，而且在原则上是可以实现的”。 《在底部还有很大空间》
航空宇航制造工程系
Dept.of Aeronautics and Astronautics Manufacturing Engineering
纳米技术发展历程 航空宇航制造工程系
Dept.of Aeronautics and Astronautics Manufacturing Engineering
约1861年，胶体化学的建立(Colloid
Chemistry)，科学家就 开始了对于直径1~100 nm的粒子系统，即所谓胶体的研究。 但是当时并没有意识到在这个尺寸范围是人们认识世界的一 个新层次，而只是从化学的角度研究，并没有从纳米材料的 角度或其特殊性能作为重点。
航空宇航制造工程系
Dept.of Aeronautics and Astronautics Manufacturing Engineering
航空宇航制造工程系 通过纳米材料的光催化从水、二氧化碳和氮气中提取有用物质，例如，液体燃料一直是人们研究的重要课题 Dept.of Aeronautics and Astro，最近日本利用纳米铂作为催化剂放在氧化钛的载体上，在加入甲醇的水溶液中通过光照射成功地制取了氢。
航空宇航制造工程系
Dept.of Aeronautics and Astro-nautics Manufacturing Engineering
纳米科学与技术纳米材料的制备方法PPT课件
气相分解法
化学气相反应法 气相合成法
纳
气－固反应法
米
气相法
气体冷凝法 氢电弧等离子体法
粒
子 合
纳 米 粒
成
子
物理气相法
溅射法 真空沉积法
加热蒸发法
混合等离子体法
共沉淀法
沉淀法 化合物沉淀法 水热法 水解沉淀法
方 法 分
制 备
液相法 溶胶－凝胶法
冷冻干燥法 喷雾法
方 法
干式粉碎 粉碎法 湿式粉碎
类
热分解法
3.气体冷凝法影响纳米微粒粒径大小的 如各种金属氮化物，硼化物，碳化物等，后来用于制备碳纤维、碳纳米管等。
为了制备某些易氧化的金属的氧化物纳米粉体，可通过两种方法来实现：
因素 (iii)可制备多种纳米金属，包括高熔点和低熔点金属。
整个过程是在超高真空室内进行。
气相沉积是利用气态或蒸气态的物质在气相或气固界面上生成固态沉积物的技术。
➢ 同时，原子或离子又重新结合成分子从金属熔 体表面溢出。蒸发出的金属原子蒸气遇到周围 的气体就会被急速冷却或发生反应形成纳米粒 子。
采用等离子体加热蒸发法可以制备出金属、合金 或金属化合物纳米粒子
优点： 1. 等离子体温度高，几乎可以制取任何金属的微
粒。 2. 金属或合金可以直接蒸发、急冷而形成原物质
的纳米粒子，为纯粹的物理过程； 而金属化合物，如氧化物、碳化物、氮化物的制
备，一般需经过金属蒸发化学反应急冷， 最后形成金属化合物纳米粒子。
缺点：等离子体喷射的射流容易将金属熔融物质 本身吹飞，这是工业中应解决的技术难点。
2.等离子体合成纳米微粒方法的分类：
按等离子体产生方式可将纳米粒子制备方 法分为4种：
第五讲 纳米电化学
纳米材料电化学生物传感器方面的应用
金纳米粒子由于良好的生物相容性和 无毒副作用，已经广泛应用于生物分析化 学。在生物分子标记和检测、纳米生物传 感器和纳米生物芯片等技术的开发和应用 方面取得了重要的进展。
Anal. Chem., 2006 (78): 6332-6339.
生物传感器的制备过程示意图 1. 金网络结构有大的比表面积，可以固定大量 的生物分子。 2. 纳米金具有促进电子转移的能力，HRP、细 胞色素 c 等固定后，可以实现它们的直接电化 学。得到响应速度快、灵敏度高、稳定性好的一
它的发展与如下几个方面有关： （1）1980s开始的电极表面的自组装 (SAMs) （2）1980s超分子概念（Superamolecular） （3）1980s发明的SPM (SEM, TEM和AFM等） （4）1980sC60和1990s碳纳米管的发现 （5）2004年石墨烯的发现
纳米电化学 (Nano-electrochemistry)
在1－100nm尺寸下的各种研究称为纳米科技， 采用电化学方法研究物质在此尺寸下的行为称为 纳米电化学
1、纳米杂化材料简介：
纳米材料的基本特性
1、基本物理效应 ① 小尺寸效应 ② 表面效应 ③ 量子尺寸效应 ④ 宏观量子隧道效应 2、催化性能 ３.磁学性能 4、力学性能 纳米结构材料在展现一系列优越的电学，磁学，机械， 光学等性能的同时，如何与其他一些特殊的功能材料 （生物材料、功能的高分子、有机材料）相结合， 在发挥每种材料特殊功能的同时，又引进新的特殊 的功能，构成多功能的纳米杂化材料，并以此来探索 其在纳米器件、传感器、表面增强的拉曼光谱、陶瓷 、医疗的载体、催化、基因的诊断等方面的应用，已 经引起人们的广泛注意。
电化学及电分析化学的发展趋势
纳米科学与技术-第五讲
光刻胶极性 掩 模 亮场 版 极 暗场 性
负胶 正胶 凹坑 凸起 凸起 凹坑
光刻胶的组成
光刻胶由4种成分组成： 光刻胶由4种成分组成： 聚合物 成分 溶剂 聚合物 感光剂 添加剂
溶剂 功能 当被对准机光源曝光时， 聚合物结构由可溶变成 聚合（或反之） 稀化光刻胶，通过旋转 形成薄膜 在曝光过程中控制和 / 或 调节光刻胶的化学反应 各种添加的化学成分实 现工艺效果，例如染色
纳米科学与技术 第五讲
微纳米加工技术
杨延莲 国家纳米科学中心 2011年03月08日 年 月 日
材料
表征
组装
？
器件
Top-down + bottom-up
主要内容
• 光刻 （Photolithography） ） • 聚焦电子束 （EBL） ） • 聚焦离子束（FIB） ）
Electron Beam lithography
3. 加热的操作也可以使晶园表面恢复到憎水表面。 加热的操作也可以使晶园表面恢复到憎水表面。
涂光刻胶 目的是在晶园表面建立薄而均匀并且没有缺陷 薄而均匀并且没有缺陷 的光刻胶膜。要做到这一点必须用精良的设备和 严格的工艺控制才能达到。 厚度：0.5～1.5µm，均匀性：±0.01µm 光刻胶膜的最终厚度是由 常用方法： 常用方法：旋转涂胶法 光刻胶的粘度、 旋转速度、 光刻胶的粘度 、 旋转速度 、 分手动，半自动，全自动 表面张力和光刻胶的干燥 性来决定的。 性来决定的。 • 静态涂胶工艺
表面层 晶圆 图形层 晶圆
图形转移
首先，图形被转移到光刻胶层。 首先，图形被转移到光刻胶层。光刻胶经过曝光后自身性质和结构发生变 由原来的可溶性物质变为非可溶性物质，或者相反）。再通过化学溶剂（ ）。再通过化学溶剂 化（由原来的可溶性物质变为非可溶性物质，或者相反）。再通过化学溶剂（显 影剂）把可以溶解的部分去掉，在光刻层下就会留下一个孔， 影剂）把可以溶解的部分去掉，在光刻层下就会留下一个孔，而这个孔就是和掩 膜版不透光的部分相对应。 膜版不透光的部分相对应。 • 其次，把图形从光刻胶层转移到晶园上。 其次，把图形从光刻胶层转移到晶园上。这一步是通过不同的刻蚀方法把晶
纳米科学与技术
纳米科学与技术纳米科学与技术：凝聚小世界，创造巨大成就引言纳米科学与技术是21世纪以来蓬勃发展的领域，被誉为科技领域的"黄金竞技场"。
纳米科学与技术利用纳米材料的特殊性质和纳米尺度的精确控制，使得我们能够在纳米级别上进行设计、制备和操控，从而创造出许多前所未有的奇迹与成就。
本文将介绍纳米科学与技术的概念、应用领域以及带来的革命性变革。
第一部分纳米科学与技术的概念纳米科学与技术是一门研究物质在纳米尺度下（10^-9米）的特性、制备方法以及在材料、生命科学和能源等领域中的应用的新兴学科。
在纳米尺度下，物质的性质与其宏观尺度下有很大的差异。
纳米科学与技术的发展使得我们能够精确地控制和调节物质的纳米结构和性能，进一步扩展了材料科学和生命科学的研究范围。
第二部分纳米科学与技术的应用领域2.1 材料科学领域纳米科学与技术在材料科学领域中拥有广泛的应用。
通过调控纳米材料的形貌、粒径、表面活性以及相互作用等特性，我们可以创造出许多新的材料。
例如，纳米颗粒的特殊性质使其成为具有广阔前景的功能材料，例如金属纳米颗粒在催化反应中显示出优异的性能，纳米复合材料在光学、电子、能源等领域中具有广泛的应用前景。
2.2 生命科学领域纳米科学与技术在生命科学领域中也发挥着重要的作用。
纳米材料可以用于生物分析、靶向治疗、药物传输等方面的研究。
纳米颗粒的特殊性质使其能够在体内靶向运输药物，减少药物剂量并降低副作用。
此外，纳米尺度上的材料与生物分子的相互作用也为生物学的研究提供了新的工具和途径。
2.3 能源领域纳米科学与技术在能源领域中显示出巨大的应用潜力。
纳米材料的特殊性质可以改变电子和离子的传输性能，因此可以用于开发高效的电池和太阳能电池。
纳米材料还可以用于制备高效的催化剂，提高能源转化效率。
此外，纳米材料还可以用于制备高效的热障涂层，用于提高航空航天器的燃烧效率。
第三部分纳米科学与技术的革命性变革纳米科学与技术的发展引发了许多革命性的变革。
纳米讲稿第五课PPT课件
这一Ｈall效应比普通金属中的正常霍尔效应大104倍，也 比磁性金属中的反常Hall效应大两个数量级以上，属于巨 霍尔效应．
xy (mW-cm) M (a. u.)
5
43Leabharlann 3221
1
0
0
←//
-1
⊥→
-1
-2
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-4 -3
-5
-1.0
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0.0
0.5
1.0
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-0.5
0.0
0.5
1.0
H (KOe)
目前，颗粒膜巨磁电阻效应的研究主要是两大材料系 列：（1）银系，如Co-Ag ,Fe-Ag，FeNi-Ag，FeCo-Ag 等；（2）铜系，如Co-Cu，Fe-Cu，FeCoCu等。研究 的目标一直围绕着降低出现巨磁电阻效应的外加磁场强 度，提高巨磁电阻变化率，提高出现巨磁电阻的工作温 度进行。为了避免室温下纳米磁性粒子出现超顺磁性， 铁磁粒子的直径最好控制在几纳米左右。
1.0T的外 x场y 下基本饱和，达4.5μΩ-cm,且为负，与洛仑兹
力引起的正常Ｈall效应方向相反，而正常Ｈall效应由于 太小，在图中没有反映出来。同时还可以看出，Ｈall电 阻率基本与磁场线性响应。我们将磁场垂直膜面的磁滞
回线与 和H的关系曲 线xy 对比可以发现，两者的形状极
其类似，表明 与样品磁化强 x度y 相关，且近似呈线性关系。
的关系曲线。从图上可以看出，即使退火温度加到300℃，
样品的 xys值下降并不多，显示了(Ni79Fe21)0.48-(Al2O3)0..52
颗粒膜样品很好的热稳定性。从霍尔传感器应用来考虑，
传感器应该有很好的热稳定性，因此，在低于300℃以下
xy (mW-cm) M (a. u.)
5
43Leabharlann 3221
1
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←//
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H (KOe)
目前，颗粒膜巨磁电阻效应的研究主要是两大材料系 列：（1）银系，如Co-Ag ,Fe-Ag，FeNi-Ag，FeCo-Ag 等；（2）铜系，如Co-Cu，Fe-Cu，FeCoCu等。研究 的目标一直围绕着降低出现巨磁电阻效应的外加磁场强 度，提高巨磁电阻变化率，提高出现巨磁电阻的工作温 度进行。为了避免室温下纳米磁性粒子出现超顺磁性， 铁磁粒子的直径最好控制在几纳米左右。
1.0T的外 x场y 下基本饱和，达4.5μΩ-cm,且为负，与洛仑兹
力引起的正常Ｈall效应方向相反，而正常Ｈall效应由于 太小，在图中没有反映出来。同时还可以看出，Ｈall电 阻率基本与磁场线性响应。我们将磁场垂直膜面的磁滞
回线与 和H的关系曲 线xy 对比可以发现，两者的形状极
其类似，表明 与样品磁化强 x度y 相关，且近似呈线性关系。
的关系曲线。从图上可以看出，即使退火温度加到300℃，
样品的 xys值下降并不多，显示了(Ni79Fe21)0.48-(Al2O3)0..52
颗粒膜样品很好的热稳定性。从霍尔传感器应用来考虑，
传感器应该有很好的热稳定性，因此，在低于300℃以下
纳米科学和技术
玉不琢，不成器；人不学，不知道
（持续更新，敬请收藏）
2
第一讲 绪 论
• 1. 纳米科技的基本概念和内涵*** • 2. 纳米科技概念的提出与发展 • 3. 纳米科技的科学意义*** • 4. 纳米微粒的四大效应??? • 5. 纳米微粒的结构与形貌 • 6. 纳米材料和技术领域研究的对象 • 7. 纳米科技的研究方法 • 8. 纳米科技的前景展望 • 9. 纳米材料国家标准
• 许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科学的事情,而没有什么实际意义。
纪信息时代的核心。
-------Armstrong(美国IBM公司首席科学家)
• 纳米技术是继信息技术和生物技术之后，又一深刻影响社会经济发展的重大技术，
它的迅猛发展将在21世纪促使几乎所有工业领域产生一场革命性的变化。
玉不（琢持，续不更成新器--，；--敬人-请不--收学白，藏春不）礼知道
22
The letter to Jiang from H.Rohrer
• 纳米技术是当前全球都在谈论的热门话题。所谓纳米技术，是指用数千
个分子或原子制造新型材料或微型器件的科学技术。纳米技术涉及的范 围很广，纳米材料只是其中的一部分，但它却是纳米技术发展的基础。 牛津大学材料系目前研究的纳米技术项目有40多个，其中主要的有超细 薄膜、碳纳米管、纳米陶瓷、金属纳米晶体和量子点线等。
氢原子
0.1 纳米
5
1.1 什么是纳米(nanometer)？ Earth 1.2 x 107 m 1.1.1 物理意义：A nanometre is a billionth of a metre, or to put it comparatively, about 1/80,000 of the diameter of a human hair. The image below shows a further size comparison.
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光刻胶中容量最大的成分是溶剂。 光刻胶中容量最大的成分是溶剂。添加溶剂的目的是 使光刻胶处于液态，以便是光刻胶能够通过旋转 旋转的方法涂在晶园 使光刻胶处于液态，以便是光刻胶能够通过旋转的方法涂在晶园 表面。 表面。
• 感光剂
光刻胶中的感光剂是用来产生或者控制聚合物的特定 反应。如果聚合物中不添加感光剂，那么它对光的敏感性差， 反应。如果聚合物中不添加感光剂，那么它对光的敏感性差，而 且光谱范围较宽，添加特定的感光剂后，可以增加感光灵敏度 增加感光灵敏度， 且光谱范围较宽，添加特定的感光剂后，可以增加感光灵敏度， 而且限制反应光的光谱范围，甚至把反应光限制在某一特定波长。 而且限制反应光的光谱范围，甚至把反应光限制在某一特定波长。
涂光刻胶
低转 速 真空
高转 速
涂光刻胶
• 自动旋转器 自动系统如 图所示，包含 了晶园表面处 理、涂底胶和 涂光刻胶全部 过程， 标 准 的 系 统 配 置 就 是 一 条流水线。 条流水线。
N O 吹除
自动晶圆 装载
N
底 胶 器 传送 到 晶圆 盒 或软烘焙 捕获 杯
光 刻 胶
通向 排气
旋转电机 真空
光刻胶是光刻工 艺的核心， 艺的核心，光刻 过程中的所有操 作都会根据特定 的光刻胶性质和 想达到的预期结 果而进行微调。 果而进行微调。
感光剂
添加剂
负性光刻胶
• 负性胶，聚合物曝光后会由非聚合状态变为聚 负性胶， 合状态。在大多数负性胶里面，聚合物是聚异 合状态。在大多数负性胶里面，聚合物是聚异 戊二烯类型 在光照接受光照后聚合， 类型。 戊二烯类型。在光照接受光照后聚合，变为不 可溶的聚合物。 可溶的聚合物。
光刻胶的要求
• 工艺宽容度 整个光刻过程步骤多，而且每一步骤都会影响最终的图形 尺寸， 另外每一工艺步骤都有它的内部变异。不同的光刻胶 对工艺变异的容忍性都不一样。那么，容忍性越高，在晶园表 面达到所需要尺寸的可能性就越大，或者说工艺的宽容度就越 大。 • 针孔 所谓针孔是指光刻胶层中尺寸非常小的空穴。可以是涂胶 工艺中由环境中的微粒污染物造成的，也可以由光刻胶层结构 上的空穴造成。针孔是有害的，因为它可以允许刻蚀剂渗过光 刻胶层进而在晶园表面层刻蚀除小孔。 硅晶片 • 阶梯覆盖度 再氧化之前 随着晶园表面上膜层的不断增加，表面 (a) 不再是完全平坦化的，所以要求光刻胶必 台阶 硅晶片 须具有良好的阶梯覆盖特性。
曝光
铬 (a)
玻璃裂纹 污垢
负胶 氧化物 晶圆
(b)
两种类型光刻胶属性的比较
光刻工艺
• 表面准备 为确保光刻胶能和晶园表面很好粘结，必须进行表面处 理，包括三个阶段：微粒清除、脱水和涂底胶。 微粒清除、 微粒清除 脱水和涂底胶。
• 微粒清除 高压氮气吹除 虽然光刻前的每一步工艺（氧化、掺杂等）都是在清洁区域完成 化学湿法清洗 的，但晶园表面有可能吸附一些颗粒状的污染物。 旋转刷刷洗 高压水流 • 脱水烘焙 经过清洁处理后的晶园表面可能会含有一定的水分（亲水 性表面），所以必须脱水烘焙使其达到清洁干燥（憎水性表面）， 以便增加光刻胶和晶园表面的黏附能力。 • 1.涂底胶 一是保持室内温度在50℃以下， 一是保持室内温度在 ℃以下，并且在晶园完成前一步工艺之后尽可能 亲水 性 憎水 性 快的进行涂胶。 快的进行涂胶。 涂底胶的目的是进一步保证光刻胶和晶园表面的粘结能力。 表面 表面 2. 方法有：沉浸式 旋转式 蒸汽式 把晶园存储在干燥并且干净的氮气净化过的干燥器中。 把晶园存储在干燥并且干净的氮气净化过的干燥器中。 方法有：
涂光刻胶
光刻 胶浇 注
不充 分 覆盖
完整光 刻胶 覆盖
过多 光刻 胶
旋转 后
光刻胶覆盖
• 动态喷洒 随着晶园直径越来越大，静态涂胶已不能 满足要求，动态喷洒是晶园以500rpm的速度低 速旋转，其目的是帮助光刻胶最初的扩散，用 这种方法可以用较少量的光刻胶而达到更均匀 的光刻胶膜。待扩散后旋转器加速完成最终要 求薄而均匀的光刻胶膜。
3. 加热的操作也可以使晶园表面恢复到憎水表面。 加热的操作也可以使晶园表面恢复到憎水表面。
涂光刻胶 目的是在晶园表面建立薄而均匀并且没有缺陷 薄而均匀并且没有缺陷 的光刻胶膜。要做到这一点必须用精良的设备和 严格的工艺控制才能达到。 厚度：0.5～1.5µm，均匀性：±0.01µm 光刻胶膜的最终厚度是由 常用方法： 常用方法：旋转涂胶法 光刻胶的粘度、 旋转速度、 光刻胶的粘度 、 旋转速度 、 分手动，半自动，全自动 表面张力和光刻胶的干燥 性来决定的。 性来决定的。 • 静态涂胶工艺
表面层 晶圆 图形层 晶圆
图形转移
首先，图形被转移到光刻胶层。 首先，图形被转移到光刻胶层。光刻胶经过曝光后自身性质和结构发生变 由原来的可溶性物质变为非可溶性物质，或者相反）。再通过化学溶剂（ ）。再通过化学溶剂 化（由原来的可溶性物质变为非可溶性物质，或者相反）。再通过化学溶剂（显 影剂）把可以溶解的部分去掉，在光刻层下就会留下一个孔， 影剂）把可以溶解的部分去掉，在光刻层下就会留下一个孔，而这个孔就是和掩 膜版不透光的部分相对应。 膜版不透光的部分相对应。 • 其次，把图形从光刻胶层转移到晶园上。 其次，把图形从光刻胶层转移到晶园上。这一步是通过不同的刻蚀方法把晶
间位 （ 3 和 4 ） 对位（ 4 ）
间甲 酚
甲醛
在光刻胶中聚合物是相对不可溶的， 在光刻胶中聚合物是相对不可溶的， 用适当能量的光照后变成可溶状态。 用适当能量的光照后变成可溶状态 。 这种反应 称为光溶解反应。 称为光溶解反应。
光刻胶产品中的溶剂、 光刻胶产品中的溶剂、感光剂和添加剂
• 溶剂
纳米科学与技术 第五讲
微纳米加工技术
杨延莲 国家纳米科学中心 2011年03月08日 年 月 日
材料
表征
组装
？
器件
Top-down + bottom-up
主要内容
• 光刻 （Photolithography） ） • 聚焦电子束 （EBL） ） • 聚焦离子束（FIB） ）
Electron Beam lithography
• 添加剂
光刻胶中的添加剂主要在光刻胶薄膜中用来吸收和控 光刻胶中的添加剂主要在光刻胶薄膜中用来吸收和控 制光线，可以阻止光刻胶没有被曝光的部分在显影过程中被溶解。 制光线，可以阻止光刻胶没有被曝光的部分在显影过程中被溶解。
• 分辨率 在光刻胶层能够产生的最小图形通常被作为对光刻 胶的分辨率。 胶的分辨率。产生的线条越小，分辨率越高。分辨率不 仅与光刻胶本身的结构、性质有关，还与特定的工艺有 关，比如：曝光光源、显影工艺等。 • 粘结能力 光刻胶与衬底膜层（SiO2 、Al等）的粘结能 力直接影响光刻的质量。不同的衬底表面，光刻胶的粘 结能力是不同的。负性胶通常比正性胶有更强的粘结能 力。 • 曝光速度 灵敏性和曝光源 光刻胶的感光灵敏度反应了光刻胶感光所必 须的照射量，而照射量正比于光的强度和感光时间。光 强度是和光源特定的波长有关系。
光刻工艺概况
•首先是在晶园表面建立尽可能接近设计规则中所要求尺 首先是在晶园表面建立尽可能接近设计规则中所要求尺 寸的图形 •其次是在晶园表面正确定位图形。 其次是在晶园表面正确定位图形。 其次是在晶园表面正确定位图形
晶圆
•光刻是一种多步骤的图形转 光刻是一种多步骤的图形转 移过程， 移过程，首先是在掩膜版上 形成所需要的图形， 形成所需要的图形，之后通 过光刻工艺把所需要的图形 转移到晶园表面的每一层。 转移到晶园表面的每一层。
再氧化之后 (b)
光刻胶的要求
正胶和负胶的比较
在工艺发展的早期，负胶一直在光刻工艺中占主导地位，随着VLSI IC和2～5微 在工艺发展的早期，负胶一直在光刻工艺中占主导地位，随着VLSI IC和 米图形尺寸的出现，负胶已不能满足要求，随后出现了正胶。 米图形尺寸的出现，负胶已不能满足要求，随后出现了正胶。 •正胶的缺点是粘结能力差，成本比负胶高，但良品率高。 正胶的缺点是粘结能力差， 正胶的缺点是粘结能力差 成本比负胶高，但良品率高。 •负胶所用的显影剂容易得到，显影过程中图形尺寸相对稳定。图形尺寸大于2微米 负胶所用的显影剂容易得到， 负胶所用的显影剂容易得到 显影过程中图形尺寸相对稳定。图形尺寸大于2 的工艺还是选择负胶 用正胶需要改变掩膜版的极性，并不是简单的图形翻转。 用正胶需要改变掩膜版的极性，并不是简单的图形翻转。因为用掩膜版和两种不 同光刻胶结合，由于光在图形周围的衍射效应，在晶园表面光刻得到的尺寸不一样。 同光刻胶结合 ， 由于光在图形周围的衍射效应 ， 在晶园表面光刻得到的尺寸不一样 。
Focused Ion Beam
• 软刻蚀（Soft lithography） ） • 纳米压印（Nanoimprint） ）
Nanofabrication Equipments
洁净间 Clean room，百级，千级，万级 ，百级，千级， 磁控溅射 电子束蒸发 紫外光刻
反应离子刻蚀
电子束直写
பைடு நூலகம்
纳米压印
园上没有被光刻胶保护的部分的薄膜层去掉。 园上没有被光刻胶保护的部分的薄膜层去掉。
对准 曝光
去除非 聚合的 光刻胶
刻蚀Si 刻蚀 表面
去除光 刻胶
掩膜版
如果掩膜版的图形是由 不透光的区域决定的 ， 称其为亮场掩膜版； 称其为亮场掩膜版； 暗场掩膜版的图形是用 相反的方式编码的， 相反的方式编码的 ， 如 果按照同样的步骤， 果按照同样的步骤 ， 就 会在晶园表面留下凸起 的图形。 的图形。 暗场掩膜版主要用来制 作反刻金属互联线。 作反刻金属互联线。
• 软烘焙
因为光刻胶是一种粘稠体， 因为光刻胶是一种粘稠体 ， 所以涂胶结束后并不能直接进 行曝光，必须经过烘焙，使光刻胶中的溶剂蒸发。 行曝光，必须经过烘焙，使光刻胶中的溶剂蒸发。烘焙后的光刻 胶仍然保持“ 状态，但和晶园的粘结更加牢固。 胶仍然保持“软”状态，但和晶园的粘结更加牢固。同时降低光 刻胶内部应力。 刻胶内部应力。 时间和温度是软烘焙的参数 是软烘焙的参数， 时间和温度是软烘焙的参数，不完全的烘焙在曝光过程中造成图 像形成不完整和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移； 像形成不完整和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移；过分烘焙 会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，并且不与曝光射线反应。 会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，并且不与曝光射线反应。 负胶必须在氮气中进行烘焙，而正胶可以在空气中烘焙。 负胶必须在氮气中进行烘焙，而正胶可以在空气中烘焙。
• 感光剂
光刻胶中的感光剂是用来产生或者控制聚合物的特定 反应。如果聚合物中不添加感光剂，那么它对光的敏感性差， 反应。如果聚合物中不添加感光剂，那么它对光的敏感性差，而 且光谱范围较宽，添加特定的感光剂后，可以增加感光灵敏度 增加感光灵敏度， 且光谱范围较宽，添加特定的感光剂后，可以增加感光灵敏度， 而且限制反应光的光谱范围，甚至把反应光限制在某一特定波长。 而且限制反应光的光谱范围，甚至把反应光限制在某一特定波长。
涂光刻胶
低转 速 真空
高转 速
涂光刻胶
• 自动旋转器 自动系统如 图所示，包含 了晶园表面处 理、涂底胶和 涂光刻胶全部 过程， 标 准 的 系 统 配 置 就 是 一 条流水线。 条流水线。
N O 吹除
自动晶圆 装载
N
底 胶 器 传送 到 晶圆 盒 或软烘焙 捕获 杯
光 刻 胶
通向 排气
旋转电机 真空
光刻胶是光刻工 艺的核心， 艺的核心，光刻 过程中的所有操 作都会根据特定 的光刻胶性质和 想达到的预期结 果而进行微调。 果而进行微调。
感光剂
添加剂
负性光刻胶
• 负性胶，聚合物曝光后会由非聚合状态变为聚 负性胶， 合状态。在大多数负性胶里面，聚合物是聚异 合状态。在大多数负性胶里面，聚合物是聚异 戊二烯类型 在光照接受光照后聚合， 类型。 戊二烯类型。在光照接受光照后聚合，变为不 可溶的聚合物。 可溶的聚合物。
光刻胶的要求
• 工艺宽容度 整个光刻过程步骤多，而且每一步骤都会影响最终的图形 尺寸， 另外每一工艺步骤都有它的内部变异。不同的光刻胶 对工艺变异的容忍性都不一样。那么，容忍性越高，在晶园表 面达到所需要尺寸的可能性就越大，或者说工艺的宽容度就越 大。 • 针孔 所谓针孔是指光刻胶层中尺寸非常小的空穴。可以是涂胶 工艺中由环境中的微粒污染物造成的，也可以由光刻胶层结构 上的空穴造成。针孔是有害的，因为它可以允许刻蚀剂渗过光 刻胶层进而在晶园表面层刻蚀除小孔。 硅晶片 • 阶梯覆盖度 再氧化之前 随着晶园表面上膜层的不断增加，表面 (a) 不再是完全平坦化的，所以要求光刻胶必 台阶 硅晶片 须具有良好的阶梯覆盖特性。
曝光
铬 (a)
玻璃裂纹 污垢
负胶 氧化物 晶圆
(b)
两种类型光刻胶属性的比较
光刻工艺
• 表面准备 为确保光刻胶能和晶园表面很好粘结，必须进行表面处 理，包括三个阶段：微粒清除、脱水和涂底胶。 微粒清除、 微粒清除 脱水和涂底胶。
• 微粒清除 高压氮气吹除 虽然光刻前的每一步工艺（氧化、掺杂等）都是在清洁区域完成 化学湿法清洗 的，但晶园表面有可能吸附一些颗粒状的污染物。 旋转刷刷洗 高压水流 • 脱水烘焙 经过清洁处理后的晶园表面可能会含有一定的水分（亲水 性表面），所以必须脱水烘焙使其达到清洁干燥（憎水性表面）， 以便增加光刻胶和晶园表面的黏附能力。 • 1.涂底胶 一是保持室内温度在50℃以下， 一是保持室内温度在 ℃以下，并且在晶园完成前一步工艺之后尽可能 亲水 性 憎水 性 快的进行涂胶。 快的进行涂胶。 涂底胶的目的是进一步保证光刻胶和晶园表面的粘结能力。 表面 表面 2. 方法有：沉浸式 旋转式 蒸汽式 把晶园存储在干燥并且干净的氮气净化过的干燥器中。 把晶园存储在干燥并且干净的氮气净化过的干燥器中。 方法有：
涂光刻胶
光刻 胶浇 注
不充 分 覆盖
完整光 刻胶 覆盖
过多 光刻 胶
旋转 后
光刻胶覆盖
• 动态喷洒 随着晶园直径越来越大，静态涂胶已不能 满足要求，动态喷洒是晶园以500rpm的速度低 速旋转，其目的是帮助光刻胶最初的扩散，用 这种方法可以用较少量的光刻胶而达到更均匀 的光刻胶膜。待扩散后旋转器加速完成最终要 求薄而均匀的光刻胶膜。
3. 加热的操作也可以使晶园表面恢复到憎水表面。 加热的操作也可以使晶园表面恢复到憎水表面。
涂光刻胶 目的是在晶园表面建立薄而均匀并且没有缺陷 薄而均匀并且没有缺陷 的光刻胶膜。要做到这一点必须用精良的设备和 严格的工艺控制才能达到。 厚度：0.5～1.5µm，均匀性：±0.01µm 光刻胶膜的最终厚度是由 常用方法： 常用方法：旋转涂胶法 光刻胶的粘度、 旋转速度、 光刻胶的粘度 、 旋转速度 、 分手动，半自动，全自动 表面张力和光刻胶的干燥 性来决定的。 性来决定的。 • 静态涂胶工艺
表面层 晶圆 图形层 晶圆
图形转移
首先，图形被转移到光刻胶层。 首先，图形被转移到光刻胶层。光刻胶经过曝光后自身性质和结构发生变 由原来的可溶性物质变为非可溶性物质，或者相反）。再通过化学溶剂（ ）。再通过化学溶剂 化（由原来的可溶性物质变为非可溶性物质，或者相反）。再通过化学溶剂（显 影剂）把可以溶解的部分去掉，在光刻层下就会留下一个孔， 影剂）把可以溶解的部分去掉，在光刻层下就会留下一个孔，而这个孔就是和掩 膜版不透光的部分相对应。 膜版不透光的部分相对应。 • 其次，把图形从光刻胶层转移到晶园上。 其次，把图形从光刻胶层转移到晶园上。这一步是通过不同的刻蚀方法把晶
间位 （ 3 和 4 ） 对位（ 4 ）
间甲 酚
甲醛
在光刻胶中聚合物是相对不可溶的， 在光刻胶中聚合物是相对不可溶的， 用适当能量的光照后变成可溶状态。 用适当能量的光照后变成可溶状态 。 这种反应 称为光溶解反应。 称为光溶解反应。
光刻胶产品中的溶剂、 光刻胶产品中的溶剂、感光剂和添加剂
• 溶剂
纳米科学与技术 第五讲
微纳米加工技术
杨延莲 国家纳米科学中心 2011年03月08日 年 月 日
材料
表征
组装
？
器件
Top-down + bottom-up
主要内容
• 光刻 （Photolithography） ） • 聚焦电子束 （EBL） ） • 聚焦离子束（FIB） ）
Electron Beam lithography
• 添加剂
光刻胶中的添加剂主要在光刻胶薄膜中用来吸收和控 光刻胶中的添加剂主要在光刻胶薄膜中用来吸收和控 制光线，可以阻止光刻胶没有被曝光的部分在显影过程中被溶解。 制光线，可以阻止光刻胶没有被曝光的部分在显影过程中被溶解。
• 分辨率 在光刻胶层能够产生的最小图形通常被作为对光刻 胶的分辨率。 胶的分辨率。产生的线条越小，分辨率越高。分辨率不 仅与光刻胶本身的结构、性质有关，还与特定的工艺有 关，比如：曝光光源、显影工艺等。 • 粘结能力 光刻胶与衬底膜层（SiO2 、Al等）的粘结能 力直接影响光刻的质量。不同的衬底表面，光刻胶的粘 结能力是不同的。负性胶通常比正性胶有更强的粘结能 力。 • 曝光速度 灵敏性和曝光源 光刻胶的感光灵敏度反应了光刻胶感光所必 须的照射量，而照射量正比于光的强度和感光时间。光 强度是和光源特定的波长有关系。
光刻工艺概况
•首先是在晶园表面建立尽可能接近设计规则中所要求尺 首先是在晶园表面建立尽可能接近设计规则中所要求尺 寸的图形 •其次是在晶园表面正确定位图形。 其次是在晶园表面正确定位图形。 其次是在晶园表面正确定位图形
晶圆
•光刻是一种多步骤的图形转 光刻是一种多步骤的图形转 移过程， 移过程，首先是在掩膜版上 形成所需要的图形， 形成所需要的图形，之后通 过光刻工艺把所需要的图形 转移到晶园表面的每一层。 转移到晶园表面的每一层。
再氧化之后 (b)
光刻胶的要求
正胶和负胶的比较
在工艺发展的早期，负胶一直在光刻工艺中占主导地位，随着VLSI IC和2～5微 在工艺发展的早期，负胶一直在光刻工艺中占主导地位，随着VLSI IC和 米图形尺寸的出现，负胶已不能满足要求，随后出现了正胶。 米图形尺寸的出现，负胶已不能满足要求，随后出现了正胶。 •正胶的缺点是粘结能力差，成本比负胶高，但良品率高。 正胶的缺点是粘结能力差， 正胶的缺点是粘结能力差 成本比负胶高，但良品率高。 •负胶所用的显影剂容易得到，显影过程中图形尺寸相对稳定。图形尺寸大于2微米 负胶所用的显影剂容易得到， 负胶所用的显影剂容易得到 显影过程中图形尺寸相对稳定。图形尺寸大于2 的工艺还是选择负胶 用正胶需要改变掩膜版的极性，并不是简单的图形翻转。 用正胶需要改变掩膜版的极性，并不是简单的图形翻转。因为用掩膜版和两种不 同光刻胶结合，由于光在图形周围的衍射效应，在晶园表面光刻得到的尺寸不一样。 同光刻胶结合 ， 由于光在图形周围的衍射效应 ， 在晶园表面光刻得到的尺寸不一样 。
Focused Ion Beam
• 软刻蚀（Soft lithography） ） • 纳米压印（Nanoimprint） ）
Nanofabrication Equipments
洁净间 Clean room，百级，千级，万级 ，百级，千级， 磁控溅射 电子束蒸发 紫外光刻
反应离子刻蚀
电子束直写
பைடு நூலகம்
纳米压印
园上没有被光刻胶保护的部分的薄膜层去掉。 园上没有被光刻胶保护的部分的薄膜层去掉。
对准 曝光
去除非 聚合的 光刻胶
刻蚀Si 刻蚀 表面
去除光 刻胶
掩膜版
如果掩膜版的图形是由 不透光的区域决定的 ， 称其为亮场掩膜版； 称其为亮场掩膜版； 暗场掩膜版的图形是用 相反的方式编码的， 相反的方式编码的 ， 如 果按照同样的步骤， 果按照同样的步骤 ， 就 会在晶园表面留下凸起 的图形。 的图形。 暗场掩膜版主要用来制 作反刻金属互联线。 作反刻金属互联线。
• 软烘焙
因为光刻胶是一种粘稠体， 因为光刻胶是一种粘稠体 ， 所以涂胶结束后并不能直接进 行曝光，必须经过烘焙，使光刻胶中的溶剂蒸发。 行曝光，必须经过烘焙，使光刻胶中的溶剂蒸发。烘焙后的光刻 胶仍然保持“ 状态，但和晶园的粘结更加牢固。 胶仍然保持“软”状态，但和晶园的粘结更加牢固。同时降低光 刻胶内部应力。 刻胶内部应力。 时间和温度是软烘焙的参数 是软烘焙的参数， 时间和温度是软烘焙的参数，不完全的烘焙在曝光过程中造成图 像形成不完整和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移； 像形成不完整和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移；过分烘焙 会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，并且不与曝光射线反应。 会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，并且不与曝光射线反应。 负胶必须在氮气中进行烘焙，而正胶可以在空气中烘焙。 负胶必须在氮气中进行烘焙，而正胶可以在空气中烘焙。