微纳制造技术基础——光刻、刻蚀、电化学
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q 纳米精度制造装备的设计理论
ü 纳米精度运动副设计原理 ü 高精度对准、定位的新结构原理 ü 高分辨率驱动器的新原理、新结构
29
挑战 －器件制造的一致性需求
微纳器件随尺度的减少，相对偏差激增
– IC线宽30nm，偏差5nm。其相对误差大，造 成器件性能分散度激增
q 纳米粗糙度的影响
– 波导侧壁粗糙度将影响光波导损耗
q 英、法、德等各国每年对纳米技术的研究投入约5－10 亿欧元（德国的BMBF，法国Nanostructured Materials，NOI(Individual Nano-Object) ，RMNT French Network in Micro/Nanotechnologies 等三大计 划）
q日本政府基础科学与技术计划(Basic Science and Technology Plan)的纳米科技经费达746亿日元/年
纳米科学 纳米制造
纳米科技
纳米材料的设计、 合成、表征；
纳米器件与纳米体 系的构筑与工作原 理；
纳米体系的介观理 论
Top Down
纳米结构 与器件
Botto m Up
纳米制造
Top Down 制造工艺和装备的基
础问题
Bottom Up 制造装备的
基础问题
纳米制造装备的核心问题： ü如何实现稳定的微环境控制？ ü如何保证套刻的纳米精度精 度？
nm
纳米革命，中国？
10
纳米制造将开启产业的新时代
发明STM的诺贝尔物理学奖获得者H.Rohrer指出：
“150年前，微米成为新的精度标准，并成为工业革命 的技术基础，最早和最好学会并使用微米技术的国家都 在工业发展中占据了巨大的优势。同样地，未来的技术 将属于那些以纳米作为精度标准、并首先学习和使用它 的国家”
31
多学科交叉特性
工程与材料科学部
材料科学
机械学与制 造科学
高分子 化学
化 学 科 学 部
来自百度文库
纳米精度表面制造
纳米制造
计算与 仿真
纳结构约束成形 表面物理化学
纳米制造装备
光学和光 电子学
自动化
科学 信 息 科 学 部
17
纳米制造的技术路线
纳米级材 料去除
纳米结构 成形
制造工艺
纳纳米米制制造造装装备备
关键技术
跨尺度组 装与互连
纳米级定 位与操作
微环境微 量调控
亚纳米级 检测
纳米制造的特征
q 制造对象跨越纳/微/宏尺度、异质对象融合
– 夸尺度互连问题、光/电/机械/生物系统兼容性问题
异质材 料的连接
纳米线与微电子的连接
科学问题D：纳米制造的精度理论
q 纳米精度型面的测试新原理
ü 大尺度纳米型面的形状误差测量新原理 ü 纳米精度的中频、低频误差测量 ü 在线测试技术（加工原位测量原理）
q 制造的测试理论与精度设计
ü 纳米制造的检测及精度不确定性 ü 纳米制造的精度设计
q 纳米尺度构件的性能表征
ü 几何特征表征 ü 力学特性表征 ü 其他物理性能表征
物理与生物的融合
纳米制造的特征
制造过程中界面效应占主导作用
– 去除法的粒子对表面、亚表面的作用机理
– 成形制造的液体类固化效应
b
b
模具
ph
模具
p h
液态光刻胶
液态光刻胶
纳米制造的特征
q 制造原理的研究涉及原子/分子的动态过程
u 传统制造
力/热作用→晶界滑移
u 纳米制造
量子效应→原子迁移 原子键合力的弱化
26
挑战 ：纳米结构的精确可控生长
如何实现维持稳定生长的微环境(能量、化学或物理氛 围) ？ 如何保证器件制造层间的纳米级套刻精度？
Top down
碳纳米管三极管
Bottom up
并行性和选择性的结合
微环境精密控制 是纳米器件制造装备的核心
挑战 ：微纳米器件的生产需要纳米精度的设备
q互连需要top-down与bottom-up
ü 制造工艺载体(如粒子流或能 束、CMP)对材料表面的作用过 程和机理是什么？
铜线 低k 介质
铜/超低k 弹性模量: 15-30 : 1
要求Ra<0.1nm
23
科学问题A: 纳米精度表面的制造原理
q 纳米量级的材料去除机理
ü 原子层剥离机理与加工表面 的原子迁移行为
ü 粒子、能束对表面原子层的 作用规律
21世纪经济竞争的制高点：
纳米科技的发现，将在信息、光电子、材料、环境、能源、 化学、生物、医学等领域孕育新的产业
碳纳米管场发射显示器
磁介质的nm级离 散岛，可提高存 储密度2个数量级
生化传感器在几个 分子水平上有效工 作
纳米冲击式直线电机穿刺细胞
重大的战略机遇
铁器时代
硅时代
碳时代
mm
μm
蒸气革命：英国 电气、电子革命：美国
上万面光学镜 片，制造精度为 几十纳米
靶丸制造问题：
Ø 10多个细小零件，零件的精度及粗糙度 nm级
Ø 靶球：直径 50μm，壳厚度 5μm，上 面刻有纳米栅线；
Ø 需求为5个/秒，大批量制造要求一致性
。
16
各国激烈的竞争
q 美国纳米技术研究计划(NNRP)，从2005年起，3年内 联邦政府对纳米技术给予了约37亿美元的资助；
2000年美国政府发表纳米技术报告，标题为“面对新 的产业革命”
11
纳米制造是纳米科技走向应用的瓶颈
美国2007年展望报告－Semiconductor Int.杂志
纳电机海浪发电原理
Wang ZL*, Science 2007, 316, 102
现有手段 － AFM
如何实现： 科学手段→工程技术 伟大设想→工业品 实验室 → 企业
ü 纳米尺度空间中材料体积/边界的流变规律是什么？
ü 如何控制成形过程的流变或相变行为，实现高精度、近零缺陷 的结构成形？
25
科学问题B ：纳米结构的成形规律
q 基于生长动力学的微环境控制
q 纳米结构约束成形中的液固耦合－
液态材料有序萌生、类固化成为纳米压印 质量一致性的障碍
ü 界面物理特性对材料流变特性的影响 ü 材料相变和流变行为的控制
q 金属材料纳米结构约束成形过程中 的尺度效应
ü 表面粒子占优效应 ü 材料滑移界面的摩擦学效应
opaque substatertmeatpel
1.6
(c)
1.2
0.8
w20 c f 16
0.4 12
0.0
-0.4
8
-0.8 4
-1.2
-1.6
0
01234567
Z/σ
Velocity Density
12
n 纳米科技走向应用的瓶颈：
ü 怎样将纳米结构和器件集成到多尺度产品中? ü 如何提高制造产品的一致性和制造质量的稳定性?
工作原理
材料：纳米线
器件
分子器件
n 打破瓶颈的途径－纳米制 造：
纳米结构的可控制备
ü 创新的工艺原理纳米线的定位组装 ü 保证工艺稳定的制造装备 ü 质量控制的理论与技术
生化传感器的跨 尺度集成与应用
技术挑战和科学问题
挑战 ：去除加工趋向原子层级
E0.U25Vn光m刻；的反射镜：非球曲面的全频谱精度要求达到0.15－ 1RTab≤以0上.1n磁m盘表面、450mm超薄硅圆片等：表面粗糙度 异质表面（超低k介质与铜互连）的亚纳米平整
ü 材料去除所需要克服的力是晶 体的破坏力、原子的键合力， 还是范德华力？
三大优先支持领 域：
u Manufacturing for hydrogen fuel cells u Nanomanufacturing, fulfilling the
promise of nanotechnology u Intelligent and Integrated Manufacturing
ü 粒子、能束对近表面原子层 的作用规律
q 纳米精度表面的形成新原理
ü 近零应力平坦化新原理 ü 纳米精度型面的形成机理 ü 异质材料的均匀去除机制
纳米颗粒
被被加加工工表表面面
加加工工后后表表面面
24
挑战 ：纳米结构的约束成形
压印、LIGA等工艺是批量化制 造的工艺，但：
纳米压印特征尺寸趋近10nm以 下，复形误差2nm以下；形状从 二维半走向三维，曲率半径小于 5nm 微纳系统中金属、高塑性无机材 料、大粘度有机材料构件的制 造，需要实现微尺度、纳米精度 的模压成形
微纳制造研究的任务或目标
n 发展创新的工艺方法、装备原理和计量手 段，大规模、高效率和稳定地实现纳米材 料、结构、器件及系统在多尺度上的集成 ，形成特异功能的产品或为重大工程和技 术难题的解决提供高性价比的技术路线。
微纳米制造 －微纳米尺度与纳米精度的制造
q宏观结构的纳米精度制造; q微纳米结构的成形制造及装备； q跨尺度（纳/微/宏）的集成制造
的技术结合，碳纳米管焊接机要 求纳米级精度控制
q45nm光刻机要求套刻对准精度达3 －5nm q温度、摩擦、空气流动的干扰成为 纳米精度的严重障碍
纳米制造要求装备精度从微米走向纳米
科学问题C： 制造装备的纳米精度创成
q 纳米级精度操纵系统的微扰动与控制
ü 制造环境的微扰动与物理参数之间的映射关系 ü 微扰动在操纵系统作用界面上的动态演化规律 ü 纳米精度运动系统的动力学
微纳制造的意义
n 近年来迅速崛起的纳米科学技术在信息、光电子、材料、 环境、能源、化学、生物、医学、军事等方面预示了光辉 的应用前景，已成为举世关注的科技前沿之一
n 纳米科学的研究成果揭示了纳尺度下操作物理对象的可能 性和途径，预示了众多特异性能的系统和产品
n 碳纳米晶体管电子系统 n 单分子、单电子器件 n 量子效应器件 n 量子点激光器及其阵列系统 n 复合式微纳光、机、电系统 n 超高密度固态或生物态信息系统 n ……
– MOSFET栅极线宽粗糙度和线边沿粗糙度使器件的性
能发生退化或波动
MOSFET栅极 的线 边缘粗 糙度 （ LER）和侧壁粗糙度（SWR）
– 压印模具侧壁粗糙度影响脱模及模具寿命
q 测量面临的挑战
– 结构与器件误差的表征
– 影响黏附力和残余应力的微观形貌特征比微纳器件的 尺度还要小若干数量级
微纳器件的表征需要新标准，测试精度走向PM级
纳米结构
零维纳米结构 一维纳米结构 二维纳米结构
量子点
纳米线、纳米管、 量子阱、纳米薄膜 纳米带等
三维纳米结构
纳米结构晶体
Nanotechnology 16, (8), 1326-1334 (2005).
Nanotechnology 18, (23), - (2007).
Nature Materials Published online: 21 May 2006
n ②特征尺寸达亚毫米或微米级的微机电系统/生物检测 分析微流控系统/集成光学器件/光电子系统等
n ③特征尺寸从亚微米至亚百纳米的集成电路芯片和表 面功能结构
n 特征尺寸达亚百纳米或纳米级的材料结构/人工生物系 统/纳米电子器件等。
纳米科技－制造技术与科学发展的新天地
National Science and Technology Council (March, 2008)
Chem. Mater. 2006, 18,3599-3601
微制造和纳米制造的关系
n 纳米科技成果走向宏观世界需要微纳制造技术作为桥梁
n 从实验室－产业化 n 从科学手段－工程技术 n 从艺术品和伟大设想－工业品和国计民生
科学家展示了操作单原子的可行性， 如何形成大规模的材料复合和成形？
纳米结构的器件最终必须 集成为宏观的实体
纳米制造技术概述
西安交通大学机械学院 丁玉成
ycding@mail.xjtu.edu.cn(13909189199)
微纳制造目标－微纳系统
n 微纳系统：微纳光电子、MEMS/NEMS、微纳生物 机电系统、微纳结构功能材料(例如超材料)
n 微纳系统涉及的尺度范围范围极为广泛。，其包 括：
n ①构件尺寸小至厘米级或毫米级的微小型复杂机电装 置或自主机电系统(如微型机器人或微型智能飞行器)等
国家重大需求－经济竞争的支撑技术
q 战略性产业－2020年我国IC市场将达到29500亿元
ü 核心装备－光刻机工作台定位精度3-5nm，投影透镜加工精度 达到亚纳米
ü 微纳传感器网络制造系统使流程工业高效、优质、低污染
光刻机
非球面投影镜组
微纳传感器网络制造系统
国家重大需求－新能源
q美国NIF点火计划，中国神光计划
ü 纳米精度运动副设计原理 ü 高精度对准、定位的新结构原理 ü 高分辨率驱动器的新原理、新结构
29
挑战 －器件制造的一致性需求
微纳器件随尺度的减少，相对偏差激增
– IC线宽30nm，偏差5nm。其相对误差大，造 成器件性能分散度激增
q 纳米粗糙度的影响
– 波导侧壁粗糙度将影响光波导损耗
q 英、法、德等各国每年对纳米技术的研究投入约5－10 亿欧元（德国的BMBF，法国Nanostructured Materials，NOI(Individual Nano-Object) ，RMNT French Network in Micro/Nanotechnologies 等三大计 划）
q日本政府基础科学与技术计划(Basic Science and Technology Plan)的纳米科技经费达746亿日元/年
纳米科学 纳米制造
纳米科技
纳米材料的设计、 合成、表征；
纳米器件与纳米体 系的构筑与工作原 理；
纳米体系的介观理 论
Top Down
纳米结构 与器件
Botto m Up
纳米制造
Top Down 制造工艺和装备的基
础问题
Bottom Up 制造装备的
基础问题
纳米制造装备的核心问题： ü如何实现稳定的微环境控制？ ü如何保证套刻的纳米精度精 度？
nm
纳米革命，中国？
10
纳米制造将开启产业的新时代
发明STM的诺贝尔物理学奖获得者H.Rohrer指出：
“150年前，微米成为新的精度标准，并成为工业革命 的技术基础，最早和最好学会并使用微米技术的国家都 在工业发展中占据了巨大的优势。同样地，未来的技术 将属于那些以纳米作为精度标准、并首先学习和使用它 的国家”
31
多学科交叉特性
工程与材料科学部
材料科学
机械学与制 造科学
高分子 化学
化 学 科 学 部
来自百度文库
纳米精度表面制造
纳米制造
计算与 仿真
纳结构约束成形 表面物理化学
纳米制造装备
光学和光 电子学
自动化
科学 信 息 科 学 部
17
纳米制造的技术路线
纳米级材 料去除
纳米结构 成形
制造工艺
纳纳米米制制造造装装备备
关键技术
跨尺度组 装与互连
纳米级定 位与操作
微环境微 量调控
亚纳米级 检测
纳米制造的特征
q 制造对象跨越纳/微/宏尺度、异质对象融合
– 夸尺度互连问题、光/电/机械/生物系统兼容性问题
异质材 料的连接
纳米线与微电子的连接
科学问题D：纳米制造的精度理论
q 纳米精度型面的测试新原理
ü 大尺度纳米型面的形状误差测量新原理 ü 纳米精度的中频、低频误差测量 ü 在线测试技术（加工原位测量原理）
q 制造的测试理论与精度设计
ü 纳米制造的检测及精度不确定性 ü 纳米制造的精度设计
q 纳米尺度构件的性能表征
ü 几何特征表征 ü 力学特性表征 ü 其他物理性能表征
物理与生物的融合
纳米制造的特征
制造过程中界面效应占主导作用
– 去除法的粒子对表面、亚表面的作用机理
– 成形制造的液体类固化效应
b
b
模具
ph
模具
p h
液态光刻胶
液态光刻胶
纳米制造的特征
q 制造原理的研究涉及原子/分子的动态过程
u 传统制造
力/热作用→晶界滑移
u 纳米制造
量子效应→原子迁移 原子键合力的弱化
26
挑战 ：纳米结构的精确可控生长
如何实现维持稳定生长的微环境(能量、化学或物理氛 围) ？ 如何保证器件制造层间的纳米级套刻精度？
Top down
碳纳米管三极管
Bottom up
并行性和选择性的结合
微环境精密控制 是纳米器件制造装备的核心
挑战 ：微纳米器件的生产需要纳米精度的设备
q互连需要top-down与bottom-up
ü 制造工艺载体(如粒子流或能 束、CMP)对材料表面的作用过 程和机理是什么？
铜线 低k 介质
铜/超低k 弹性模量: 15-30 : 1
要求Ra<0.1nm
23
科学问题A: 纳米精度表面的制造原理
q 纳米量级的材料去除机理
ü 原子层剥离机理与加工表面 的原子迁移行为
ü 粒子、能束对表面原子层的 作用规律
21世纪经济竞争的制高点：
纳米科技的发现，将在信息、光电子、材料、环境、能源、 化学、生物、医学等领域孕育新的产业
碳纳米管场发射显示器
磁介质的nm级离 散岛，可提高存 储密度2个数量级
生化传感器在几个 分子水平上有效工 作
纳米冲击式直线电机穿刺细胞
重大的战略机遇
铁器时代
硅时代
碳时代
mm
μm
蒸气革命：英国 电气、电子革命：美国
上万面光学镜 片，制造精度为 几十纳米
靶丸制造问题：
Ø 10多个细小零件，零件的精度及粗糙度 nm级
Ø 靶球：直径 50μm，壳厚度 5μm，上 面刻有纳米栅线；
Ø 需求为5个/秒，大批量制造要求一致性
。
16
各国激烈的竞争
q 美国纳米技术研究计划(NNRP)，从2005年起，3年内 联邦政府对纳米技术给予了约37亿美元的资助；
2000年美国政府发表纳米技术报告，标题为“面对新 的产业革命”
11
纳米制造是纳米科技走向应用的瓶颈
美国2007年展望报告－Semiconductor Int.杂志
纳电机海浪发电原理
Wang ZL*, Science 2007, 316, 102
现有手段 － AFM
如何实现： 科学手段→工程技术 伟大设想→工业品 实验室 → 企业
ü 纳米尺度空间中材料体积/边界的流变规律是什么？
ü 如何控制成形过程的流变或相变行为，实现高精度、近零缺陷 的结构成形？
25
科学问题B ：纳米结构的成形规律
q 基于生长动力学的微环境控制
q 纳米结构约束成形中的液固耦合－
液态材料有序萌生、类固化成为纳米压印 质量一致性的障碍
ü 界面物理特性对材料流变特性的影响 ü 材料相变和流变行为的控制
q 金属材料纳米结构约束成形过程中 的尺度效应
ü 表面粒子占优效应 ü 材料滑移界面的摩擦学效应
opaque substatertmeatpel
1.6
(c)
1.2
0.8
w20 c f 16
0.4 12
0.0
-0.4
8
-0.8 4
-1.2
-1.6
0
01234567
Z/σ
Velocity Density
12
n 纳米科技走向应用的瓶颈：
ü 怎样将纳米结构和器件集成到多尺度产品中? ü 如何提高制造产品的一致性和制造质量的稳定性?
工作原理
材料：纳米线
器件
分子器件
n 打破瓶颈的途径－纳米制 造：
纳米结构的可控制备
ü 创新的工艺原理纳米线的定位组装 ü 保证工艺稳定的制造装备 ü 质量控制的理论与技术
生化传感器的跨 尺度集成与应用
技术挑战和科学问题
挑战 ：去除加工趋向原子层级
E0.U25Vn光m刻；的反射镜：非球曲面的全频谱精度要求达到0.15－ 1RTab≤以0上.1n磁m盘表面、450mm超薄硅圆片等：表面粗糙度 异质表面（超低k介质与铜互连）的亚纳米平整
ü 材料去除所需要克服的力是晶 体的破坏力、原子的键合力， 还是范德华力？
三大优先支持领 域：
u Manufacturing for hydrogen fuel cells u Nanomanufacturing, fulfilling the
promise of nanotechnology u Intelligent and Integrated Manufacturing
ü 粒子、能束对近表面原子层 的作用规律
q 纳米精度表面的形成新原理
ü 近零应力平坦化新原理 ü 纳米精度型面的形成机理 ü 异质材料的均匀去除机制
纳米颗粒
被被加加工工表表面面
加加工工后后表表面面
24
挑战 ：纳米结构的约束成形
压印、LIGA等工艺是批量化制 造的工艺，但：
纳米压印特征尺寸趋近10nm以 下，复形误差2nm以下；形状从 二维半走向三维，曲率半径小于 5nm 微纳系统中金属、高塑性无机材 料、大粘度有机材料构件的制 造，需要实现微尺度、纳米精度 的模压成形
微纳制造研究的任务或目标
n 发展创新的工艺方法、装备原理和计量手 段，大规模、高效率和稳定地实现纳米材 料、结构、器件及系统在多尺度上的集成 ，形成特异功能的产品或为重大工程和技 术难题的解决提供高性价比的技术路线。
微纳米制造 －微纳米尺度与纳米精度的制造
q宏观结构的纳米精度制造; q微纳米结构的成形制造及装备； q跨尺度（纳/微/宏）的集成制造
的技术结合，碳纳米管焊接机要 求纳米级精度控制
q45nm光刻机要求套刻对准精度达3 －5nm q温度、摩擦、空气流动的干扰成为 纳米精度的严重障碍
纳米制造要求装备精度从微米走向纳米
科学问题C： 制造装备的纳米精度创成
q 纳米级精度操纵系统的微扰动与控制
ü 制造环境的微扰动与物理参数之间的映射关系 ü 微扰动在操纵系统作用界面上的动态演化规律 ü 纳米精度运动系统的动力学
微纳制造的意义
n 近年来迅速崛起的纳米科学技术在信息、光电子、材料、 环境、能源、化学、生物、医学、军事等方面预示了光辉 的应用前景，已成为举世关注的科技前沿之一
n 纳米科学的研究成果揭示了纳尺度下操作物理对象的可能 性和途径，预示了众多特异性能的系统和产品
n 碳纳米晶体管电子系统 n 单分子、单电子器件 n 量子效应器件 n 量子点激光器及其阵列系统 n 复合式微纳光、机、电系统 n 超高密度固态或生物态信息系统 n ……
– MOSFET栅极线宽粗糙度和线边沿粗糙度使器件的性
能发生退化或波动
MOSFET栅极 的线 边缘粗 糙度 （ LER）和侧壁粗糙度（SWR）
– 压印模具侧壁粗糙度影响脱模及模具寿命
q 测量面临的挑战
– 结构与器件误差的表征
– 影响黏附力和残余应力的微观形貌特征比微纳器件的 尺度还要小若干数量级
微纳器件的表征需要新标准，测试精度走向PM级
纳米结构
零维纳米结构 一维纳米结构 二维纳米结构
量子点
纳米线、纳米管、 量子阱、纳米薄膜 纳米带等
三维纳米结构
纳米结构晶体
Nanotechnology 16, (8), 1326-1334 (2005).
Nanotechnology 18, (23), - (2007).
Nature Materials Published online: 21 May 2006
n ②特征尺寸达亚毫米或微米级的微机电系统/生物检测 分析微流控系统/集成光学器件/光电子系统等
n ③特征尺寸从亚微米至亚百纳米的集成电路芯片和表 面功能结构
n 特征尺寸达亚百纳米或纳米级的材料结构/人工生物系 统/纳米电子器件等。
纳米科技－制造技术与科学发展的新天地
National Science and Technology Council (March, 2008)
Chem. Mater. 2006, 18,3599-3601
微制造和纳米制造的关系
n 纳米科技成果走向宏观世界需要微纳制造技术作为桥梁
n 从实验室－产业化 n 从科学手段－工程技术 n 从艺术品和伟大设想－工业品和国计民生
科学家展示了操作单原子的可行性， 如何形成大规模的材料复合和成形？
纳米结构的器件最终必须 集成为宏观的实体
纳米制造技术概述
西安交通大学机械学院 丁玉成
ycding@mail.xjtu.edu.cn(13909189199)
微纳制造目标－微纳系统
n 微纳系统：微纳光电子、MEMS/NEMS、微纳生物 机电系统、微纳结构功能材料(例如超材料)
n 微纳系统涉及的尺度范围范围极为广泛。，其包 括：
n ①构件尺寸小至厘米级或毫米级的微小型复杂机电装 置或自主机电系统(如微型机器人或微型智能飞行器)等
国家重大需求－经济竞争的支撑技术
q 战略性产业－2020年我国IC市场将达到29500亿元
ü 核心装备－光刻机工作台定位精度3-5nm，投影透镜加工精度 达到亚纳米
ü 微纳传感器网络制造系统使流程工业高效、优质、低污染
光刻机
非球面投影镜组
微纳传感器网络制造系统
国家重大需求－新能源
q美国NIF点火计划，中国神光计划