纳米加工技术

纳米加工技术及其应用江苏科技大学机械学院
学号：139020021
姓名：原旭全
纳米尺度的研究作为一门技术,是80年代刚刚兴起的.它所研究的对象是一般研究机构很难涉猎的即非宏观又非微观的中间领域,有人称之为介观领域.所谓纳米技术通常指纳米级(0.1nm~l00nm)的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术.纳米技术主要包括纳米级精度和表面形貌的测量;纳米级表层物理、化学、机械性能的检测;纳米级精度的加工和纳米级表层的加工一一原子和分子的去除、搬迁和重组;纳米材料;纳米级微传感器和控制技术;微型和超微型机械;微型和超微型机电系统;纳米生物学等;纳米加工技术是纳米技术的一个组成部分.纳米加工的含义是达到纳米级精度(包括纳米级尺寸精度,纳米级形位精度和纳米级表面质量)的加工技术.
其原理使用极尖的探针对被测表面扫描(探针和被侧表面不接触),借助纳米级的三维位移控制系统测量该表面的三维微观立体形貌.
材料制造技术.
著名的诺贝尔奖获得者Feyneman在20世纪60年代曾预言:如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话,我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性,就会看到材料的性能产生丰富的变化.他说的材料即现在的纳米材料.纳米材料是由纳米级的超微粒子经压实和烧结而成的.它的微粒尺寸大于原子簇,小于通常的微粒,一般为l一100nm.它包括体积份数近似相等的两部分:一是直径为几个或几十个纳米的粒子;二是粒子间的界面.纳米材料的两个重要特征是纳米晶粒和由此产生的高浓度晶界.这导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变.如:纳米陶瓷由脆性变为100%的延展性,甚至出现超塑性.纳米金属居然有导体变成绝缘体.金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中,可大大降低静电作用.纳米Tiq按一定比例加入到化妆品中,可有效遮蔽紫外线.当前纳米
材料制造方法主要有:气相法、液相法、放电爆炸法、机械法等.
l)气相法:¹热分解法:金属拨基化合物在惰性介质(N2或洁净油)中热分解,或在H冲激光分解.
此方法粒度易控制,适于大规模生产.现在用于Ni、Fe、W、M。

等金属,最细颗粒可达3一10nm.º真空
蒸发法:金属在真空中加热蒸发后沉积于一转动圆的流动油面上;可用真空蒸馏使颗粒浓缩.此法平均颗粒度小于10nm.
2)液相法:¹沉积法:采用各种可溶性的化合物经混合,反应生成不溶解的氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐或有机盐等沉淀.把过滤后的沉淀物热分解获得高强超纯细粉.采用此工艺制备出均质的玻璃和陶瓷.由于该法可制备超细(10nm一100nm)、化学组成及形貌均匀的多种单一或复合氧化物粉料.已成为一种重要的超细粉的制备方法.
3)放电爆炸法:金属细丝在充满惰性气体的圆筒内瞬间通人大电流而爆炸.此法可制造Mo.W等难熔金属的超细颗粒(25一350nm),但不能连续操作.
4)机械法:利用单质粉末在搅拌球磨(AttritorMill)过程中颗粒与颗粒间和颗粒与球之间的强烈、
频繁的碰撞粉碎.近几年大量采用搅拌磨,即利用被搅拌棍搅拌的研磨介质之间的研磨,将粉料粉碎粉碎效率比球磨机或振动磨都高.
(3)三束加工技术:可用于刻蚀、打孔、切割、焊接、表面处理等.
l)电子束加工技术:电子束加工时,被加速的电子将其能量转化成热能,以便除去穿透层表面的原子,因此不易得到高精度.但电子束可以聚焦成很小的束斑(巾0.1林m)照射敏感材料.用电子刻蚀,可加工出0.1林m线条宽度.而在制造集成电路中实际应用.
2)离子束加工技术:因离子直径为0.Inm数量级.故可直接将工件表面的原子碰撞出去达到加工的目的.用聚焦的离子束进行刻蚀,可得到精确的形状和纳米级的线条宽度.
3)激光束加工技术:激光束中的粒子是光子,光子虽没有静止质量,但有较高的能量密度.激光束加工常用YAG激光器认封.06林m)和Cq激光器位一10.63林m).激光束加工不是用光能直接撞击去掉表面原子,而是光能使材料熔化、汽化后去掉原子.
(4)LIGA(Lithographie,Galvanoforming,Abforming)技术.
这是最新发展的光刻、电铸和模铸的复合微细加工技术.它采用深度同步辐射X射线光刻,可以制造最大高度为1000林m、高宽比为200的立体结构,加工精度可达0.1林m.刻出的图形侧壁陡峭,表面
光滑.加工微型器件可批量复制,加工成本低.
目前,在LIGA工艺中再加入牺牲层的方法,使加工出的微器件一部分可脱离母体而能转动或移动.这在制造微型电动机或其他驱动器时极为有用.LIGA技术对微型机械是非常有用的工艺方法.
1与常规精加工的比较
纳米级加工中.工件表面的原子和分子是直接加工的对象.即需切断原子间的结合.纳米加工实际已到了加工的极限.而常规的精加工欲控制切断原子间的结合是无能为力的,其局限性在于:
l)高精度加工工件时,切削量应尽量小而常规的切削和磨削加工,要达到纳米级切除量,切削刀具的刀刃钝圆半径必须是纳米级,研磨磨料也必须是超细微粉.目前对纳米级刃口半径还无法直接测量.2)工艺系统的误差复映到工件,工艺系统
的受力/热变形、振动、工件装夹等都将影响工件精度.
3)即使检测手段和补偿原理正确,加工误差的补偿也是有限的.4)加工过程中存在不稳定因素.如切削热,环境变化及振动等.
由此可见.传统的切削/磨削方法,一方面由于加工方法的局限或由于加工机床精度所限,显示出在纳米加工领域应用裕度不足.另一方面,由于科技产业迅猛发展,加工技术的极限不断受到挑战.
有研究表明,磨削可获得o.35nm的表面粗糙度,但对如何实现稳定、可靠的纳米机加工以及观察研究材料微加工过程力学性能则始终受到实验手段的限制.因此纳米机加工必须寻求新的途径即直接用光子、电子、离子等基本粒子进行加工.例如,用电子束光刻加工超大规模集成电路.
2.微纳米加工技术的分类
自人类发明工具以来,加工是人类生产活动的主要内容之一.所谓加工是运用各种工具将原材料改造成为具有某种用途的形状.一提到加工,人们自然会联想到机械加工.机械加工是将某种原材料经过切削或模压形成最基本的部件,然后将多个基本部件装配成一个复杂的系统.某些机械加工也可以称为微纳米加工.因为就其加工精度而言,某些现代磨削或抛光加工的精度可以达到微米或纳米量级.但本文所讨论的微纳米加工技术是指加工形成的部件或结构本身的尺寸在微米或纳米量级.微纳米加工技术是一项涵盖门类广泛并且不断发展中的技术.在2004年国际微纳米工程年会上,曾有人总结出多达60种微纳米加工方法.可见实现微纳米结构与器件的方法是多样的.本文不可能将所有微纳米加工技术一一介绍.对这些加工技术的详细介绍目前已有专著出版.笔者在此仅将已开发出的微纳米加工技术归纳为三种类型作概括性的介绍
（1）平面工艺
以平面工艺为基础的微纳米加工是与传统机械加工概念完全不同的加工技术.图1描绘了平面工艺的基本步骤.平面工艺依赖于光刻( lithography)技术.首先将一层光敏物质感光,通过显影使感光层受到辐射的部分或未受到辐射的部分留在基底材料表面,它代表了设计的图案.然后通过材料沉积或腐蚀将感光层的图案转移到基底材料表面.通过多层曝光,腐蚀或沉积,复杂的微纳米结构可以从基底材料上构筑起来.这些图案的曝光可以通过光学掩投影实现,也可以通过直接扫描激光束,电子束或离子束实现.腐蚀技术包括化学液体湿法腐蚀和各种等离子体干法刻蚀.材料沉积技术包括热蒸发沉积,化学气相沉积或电铸沉积.
图1 平面工艺的基本过程:在硅片上涂光刻胶、曝光、显影,然后把胶
的图形通过刻蚀或沉积转移到其他材料
（2）探针工艺
探针工艺可以说是传统机械加工的延伸,这里各种微纳米尺寸的探针取代了传统的机械切削工具.微纳米探针不仅包括诸如扫描隧道显微探针,原子力显微探针等固态形式的探针,还包括聚焦离子束,激光束,原子束和火花放电微探针等非固态形式的探针.原子力探针或扫描隧道电子探针一方面可以直接操纵原子的排列,同时也可以直接在基底材料表面形成纳米量级的氧化层结构或产生电子曝光作用.这些固体微探针还可以通过液体输运方法将高分子材料传递到固体表面,形成纳米量级的单分子层点阵或图形.非固态微探针如聚焦离子束,可以通过聚焦得到小于10nm的束直径,由聚焦离子束溅射刻蚀或化学气体辅助沉积可以直接在各种材料表面形成微纳米结构.聚焦激光束已经广泛应用于传统加工工业,作为切割或焊接工具.高度聚焦的激光束也可以直接剥蚀形成微纳米结构,例如近年来出现的飞秒激光加工技术.利用激光对某些有机化合物的光固化作用也可以直接
形成三维立体微纳米结构.只要加工的工具足够小,即使传统机械加工技术也有可能制作微米量级的结构.例如,利用聚焦离子束的微加工能力可以制造尖端小于10Lm的高速钢铣刀.这种微型铣刀可以加工小于100Lm的沟槽或台阶结构.探针工艺与平面工艺的最大区别是,探针工艺只能以顺序方式加工微纳米结构.而平面工艺是以平行方式加工,即大量微结构同时形成.因此平面工艺是一种适合于大生产的工艺.但探针工艺是直接加工材料,而不是像平面工艺那样通过曝光光刻胶间接加工.
3纳米级加工的关键技术
(l)测量技术
纳米级测量技术包括纳米级精度的尺寸和位移的测量、纳米级表面形貌的测量.纳米级测量技术主要有两个发展方向:1)光干涉测量技术:可用于长度、位移、表面显微形貌的精确测量.用此原理测量的方法有双频激光干涉测量、光外差干涉测量、X射线干涉测量等.2)扫描探针显微测量技术:主要用于测量表面微观形貌.用此原理的测量方法有扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)等.
(5)扫描隧道显微加工技术(sTM).
扫描隧道显微加工技术是纳米加工技术中的最新发展,可实现原子、分子的搬迁、去除、增添和排列重组,可实现极限的精加工或原子级的精加工.近年来这方面发展迅速,取得多项重要成果.
1990年美国Eigler等人,在低温和超真空环境中,用STM将镍表面吸附的xe(氛)原子逐一搬迁,最终以35个Xe原子排成IBM3个字母,每个字母高snm.Xe原子间最短距离约为Inm,以后他们又实现了原子的搬迁排列.在铂单晶的表面上,将吸附的一氧化碳分子用sTM搬迁排列起来,构成一个身高snm的世界上最小人的图样.此
“一氧化碳小人”的分子间距仅为0.snm.将STM用于纳米级光刻加工时,它具有极细的光斑直径,可以达原子级,可得到10nm宽的线条图案.
4微型机械和微型机电系统
(l)微型机械.
现在微型机械的研究已达到较高水平,已能制造多种微型零件和微型机构.已研制成功的三维微型机械构件有微齿轮、微弹簧、微连杆、微轴承等.微执行器是比较复杂、难度大的微型器件,研制成功的有微阀、微泵、微开关、微电动机等.
(2)微型机电系统.
MEMS是在微电子工艺基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域.是纳米加工技术走向实用化,能产生经济效益的主要领域.比如:l)微型机器人是一个非常复杂的机电系统.美国正在研制的无人驾驶飞机仅有蜻蜓大小,并计划进一步缩小成蚊子机器人,用于收集情报和窃听.医用超微型机器人是最有发展前途的应用领域.它可进入人的血管,从主动脉管壁上刮去堆积的脂肪,疏通患脑血栓病人阻塞的血管.日本制定了采用机器人外科医生的计划,并正在开发能在人体血管中穿行、用于发现并杀死癌细胞的超微型机器人.2)微型惯性仪表:惯性仪表是航空、航天、航海中指示方向的导航仪器,由于要求体积小、重量轻、精度高、工作可靠.因此是微型机电系统应用的理想领域.现在国外已有微型加速度几何微型陀螺仪的商品生产,体积和重量都很小,但尚需提高精度.
由于MEMs的发展已初具基础,微型器件的发展也已达到一定水平,同时有微电子工业制造集成电路的经验可借鉴,各产业部门又有使用MEMS的要求,因此现在MEMS的发展条件已具备.
4.微纳米加工技术发展趋势
微纳米加工技术是一项不断发展中的技术. 新技术取代老技术,先进技术取代落后技术是客观发展规律.加工技术本身从来都只是手段,其目的是服务于科学研究或工业产品开发与生产.因此新的科研课题或新的工业产品开发会不断对加工技术提出新的要求.新的加工技术将会不断出现.
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