纳米加工技术PPT
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多的流通后，通过绘出电流量的波动，人们可以得 到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片。
STM拍摄的图片
STM
扫
描
器
输出
检测电路
Βιβλιοθήκη Baidu
试件 运动轨迹 a）
图 STM实物照片
图 STM工作过程演示
具体应用
❖ 扫描 ❖ STM工作时，探针将充分接近样品产生
一高度空间限制的电子束，因此在成像工作 时，STM具有极高的空间分辩率，可以进行 科学观测。
国外纳米技术进展
❖ 朗讯公司和牛津大学: 纳米镊子 ❖ 碳纳米管“秤”，称量一个病毒的重量 ❖ 称量单个原子重量的“纳米秤”
利用纳米技术将氙原子排成IBM
纳米加工机理
❖ 纳米级加工的含意是达到纳米级精度的加工技术。 ❖ 由于原子间的距离为0.1一0.3nm，纳米加工的
实质就是要切断原子间的结合，实现原子或分子的 去除，切断原子间结合所需要的能量，必然要求超 过该物质的原子间结合能。用传统的切削、磨削加 工方法进行纳米级加工就相当困难了。近年来纳米
加工有了很大的突破，如电子束光刻(UGA技术)加
工超大规模集成电路时，可实现0.1μm线宽的加工：
离子刻蚀可实现微米级和纳米级表层材料的去除： 扫描隧道显徽技术可实现单个原子的去除、扭迁、
增添和原子的重组。
纳米加工分类
❖ 包括切削加工（精密切削等）、化学腐蚀(电 化学等）、能量束加工（电子束、离子束 等）、复合加工、扫描隧道显微技术加工等 多种方法
❖ 移动，刻写样品
❖ 当STM在恒流状态下工作时，突然缩短针尖 与样品的间距或在针尖与样品的偏置电压上 加一脉冲，针尖下样品表面微区中将会出现 毫微米级的坑、丘等结构上的变化。针尖进 行刻写操作后一般并未损坏，仍可用它对表 面原子进行成像，以实时检验刻写结果的好 坏
纳米神算子——分子算盘
STM探针不仅可以将原子、分子吸住，也可以将它们 象算盘珠子一样拨来拨去。科学家把碳60分子每十个一 组放在铜的表面组成了世界上最小的算盘。与普通算盘 不同的是，算珠不是用细杆穿起来，而是沿着铜表面的 原子台阶排列的? 这项试验的真正意义在于希望有一天， 人们能够自下而上的通过操纵原子、分子来随心所欲地 构造新的物质。
纳米加工关键技术
❖ 检测技术（包括检测纳米级表层物理力学性 能、纳米级精度的尺寸和位移的测量、纳米 级表面形貌的测量 ） ；环境条件控制；机床 及工具。
几种新兴的纳米加工技术
❖ 利用扫描隧道显微镜和原子力显微镜的纳米加工技术
❖ 化学合成方法 化学合成方法是制备纳米尺度电子学器件的另一 种途径——用化学过程“自下而上”地把微观体系的
物 质单元组装成纳米器件。由于用纳米探针进行机械合 成很难同时组装数目巨大的纳米结构和器件，所以研 究化学合成方法非常重要。
❖ 聚焦离子束技术
聚焦离子束(FIB)技术是在电场和磁场的作下，将离子 束聚焦到亚微米甚至纳米量级，通过偏转系统 及加 速系统控制离子束，实现微细图形的检测分析和 纳 米结构的无掩模加工。
纳米技术的发展简史
❖ 1959年，诺贝尔奖获得者、量子物理学家理查德.费曼（Richard Feynman）提出可以从 单个分子甚至单个原子开始组装制造物品，这是关于纳米科技的最早的梦想和预言。
❖ 1974年，日本学者谷口纪男（Taniguchi Norio）教授在CIRP上首次提出“Nanotechnology”概念，并预测2000年加工精度将达到1nm。
❖ 1999年开始，纳米技术产业逐步走向全面商业化，2000年纳米产品的营业额达到500 亿美元。
❖ 我国纳米科技成果概况： ❖ 1993年，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子
成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领 域占有一席之地，并居于国际科技前沿。 ❖ 1993年，中科院在北京举办了第7届国际STM（扫描隧道显 微镜）会议。 ❖ 1998年，清华大学范守善小组成功地制备出直径为3～ 50nm、长度达微米量级的氮化镓半导体一维纳米棒，是我 国在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶粒。 ❖ 1999年，中科院物理研究所解思深研究员率领的科研小 组，不仅合成了世界上最长的“超级纤维”碳纳米管，创造 了一项“3毫米的世界之最”，而且合成出世界上最细的碳 纳米管。 ❖ 2000年，中科院物理所真空物理开放实验室高鸿钧领导 的科研小组，将超高密度存储材料的信息存储点下降到 0.6nm，点与点之间的距离降到0.5nm，将现有光盘的存储 能力提高100万倍
LIGA制作零件过程
抗蚀剂
X射线曝光 腐蚀溶解
电铸
铸型 注射成 形零件
LIGA特点
➢ 可制作各种微器件和微装置，可制作任意复杂的图形结构。 ➢ 用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等。 ➢ 可以制作高度达0.1～0.5 mm，高宽比大于200的三维微结构，形状 精度达亚微米。 ➢ 可以实现大批量复制，成本较低。
❖ 1981年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为我们揭示了一个可见 的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。
❖ 1984年，德国学者格莱特（Gleiter），把粒径6nm的金属粉末压成纳米块，并且详细研 究它的内部结构，指出了它的界面奇异结构和特异功能。
❖ 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩与第五届国家扫描隧道显微镜 学术会议同时举办，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世。标志着 纳米科学技术的正式诞生。
纳米加工技术
机电研1002 曹改芳
纳米
❖ 纳米（符号为nm）是长度单位，原称毫微米， 就是10^-9米（10亿分之一米），即10^-6毫 米（100万分之一毫米）。如同厘米、分米 和米一样，是长度的度量单位。相当于4倍原 子大小，比单个细菌的长度还要小。
纳米技术
❖ 纳米技术（nanotechnology）是用单个原 子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技 术是以许多现代先进科学技术为基础的科学 技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、 介观物理、分子生物学）和现代技术（计算 机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核 分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将 引发一系列新的科学技术，例如纳电子学、 纳米材科学、纳机械学等。
❖ 1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍， 成为纳米技术研究的热点，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤 维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。
❖ 1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制 成功速度和存储容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。
LIGA技术在微制造领域发挥着越来越重要的作用。
LIGA工艺步骤
LIGA三维立体微细加工技 术，包括三个主要工序：
X射线光刻：以同步加速器放射的短 波长X射线作为曝光光源，在厚度达 0.5 mm的光致抗蚀剂上生成曝光图形 的三维实体；
电铸成形：用曝光蚀刻图形实体作电 铸模具，生成铸型；
注塑成形：以生成的铸型作为模具， 加工出所需微型零件。
❖ 准分子激光直写纳米加工技术
准分子激光(excimer laser)以其高分辨率、光子能 量 大、冷加工、“直写”特点、无环境污染以及对加 工材 料广泛的适应性，使其成为一种重要的MEMS 和纳米 加工技术。
❖ 纳米压印技术
于20世纪90年代中叶诞生的纳米压印 (naIloimprim limography，NIL)技术，最近被 国外称为 “将改变世界的十大新兴技术”之 一。NIL技术的概念 可说是源自于我们日常 生活中盖印章的行为，此动作可 将原来在印 章上的图形压印到另外一件物体表面上。
扫描隧道显微镜
❖ 扫描隧道显微镜 scanning tunneling microscope 缩写为STM。它作为一种扫描 探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科 学家观察和定位单个原子，它具有比它的同 类原子力显微镜更加高的分辨率。此外，扫 描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针 尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是 重要的测量工具又是加工工具。
❖ 探伤及修补
❖ STM在对表面进行加工处理的过程中可 实时对表面形貌进行成像，用来发现表面各 种结构上的缺陷和损伤，并用表面淀积和刻 蚀等方法建立或切断连线，以消除缺陷，达 到修补的目的，然后还可用STM进行成像以 检查修补结果的好坏。
❖ 微观操作
❖ 引发化学反应
❖ STM在场发射模式时，针尖与样品仍相 当接近，此时用不很高的外加电压（最低可 到10V左右）就可产生足够高的电场，电子 在其作用下将穿越针尖的势垒向空间发射。 这些电子具有一定的束流和能量，由于它们 在空间运动的距离极小，至样品处来不及发 散，故束径很小，一般为毫微米量级，所以 可能在毫微米尺度上引起化学键断裂，发生 化学反应。
工作原理
❖ 扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。就如
同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要 被分析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组 成）。一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流 从探针流出，通过整个材料，到底层表面。当探针 通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同， 这些变化被记录下来。电流在流过一个原子的时候 有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。在许
纳米神算子—— 分子算盘
纳米绘画艺术—— 纳米中国
微制作中的LIGA技术
LIGA—是德文Lithographic制版, Galuanoformung电铸 造成形, Abformung注塑三个词的缩写。是20世纪80年 代德国卡尔斯鲁厄原子核研究所开发出来的。
LIGA技术是光刻、电铸和模铸的复合微细加工技术， 可制作各种三维立体微型构件。
用LIGA技术与微细EDM结合制作的微结构
用LIGA技术与微细EDM结合制作的微结构
LIGA代表产品及应用
➢ 微传感器、微电机、微机械零件、微光学元件、微波元件、真空 电子元件、微型医疗器械等 ➢ 广泛应用于加工、测量、自动化、电子、生物、医学等领域
LIGA工作现场
用LIGA技术制作的微齿轮
用LIGA技术制作的微结构
用LIGA技术制作的环形微陀螺仪
用LIGA技术制作的微传感器和微制动器结构
STM拍摄的图片
STM
扫
描
器
输出
检测电路
Βιβλιοθήκη Baidu
试件 运动轨迹 a）
图 STM实物照片
图 STM工作过程演示
具体应用
❖ 扫描 ❖ STM工作时，探针将充分接近样品产生
一高度空间限制的电子束，因此在成像工作 时，STM具有极高的空间分辩率，可以进行 科学观测。
国外纳米技术进展
❖ 朗讯公司和牛津大学: 纳米镊子 ❖ 碳纳米管“秤”，称量一个病毒的重量 ❖ 称量单个原子重量的“纳米秤”
利用纳米技术将氙原子排成IBM
纳米加工机理
❖ 纳米级加工的含意是达到纳米级精度的加工技术。 ❖ 由于原子间的距离为0.1一0.3nm，纳米加工的
实质就是要切断原子间的结合，实现原子或分子的 去除，切断原子间结合所需要的能量，必然要求超 过该物质的原子间结合能。用传统的切削、磨削加 工方法进行纳米级加工就相当困难了。近年来纳米
加工有了很大的突破，如电子束光刻(UGA技术)加
工超大规模集成电路时，可实现0.1μm线宽的加工：
离子刻蚀可实现微米级和纳米级表层材料的去除： 扫描隧道显徽技术可实现单个原子的去除、扭迁、
增添和原子的重组。
纳米加工分类
❖ 包括切削加工（精密切削等）、化学腐蚀(电 化学等）、能量束加工（电子束、离子束 等）、复合加工、扫描隧道显微技术加工等 多种方法
❖ 移动，刻写样品
❖ 当STM在恒流状态下工作时，突然缩短针尖 与样品的间距或在针尖与样品的偏置电压上 加一脉冲，针尖下样品表面微区中将会出现 毫微米级的坑、丘等结构上的变化。针尖进 行刻写操作后一般并未损坏，仍可用它对表 面原子进行成像，以实时检验刻写结果的好 坏
纳米神算子——分子算盘
STM探针不仅可以将原子、分子吸住，也可以将它们 象算盘珠子一样拨来拨去。科学家把碳60分子每十个一 组放在铜的表面组成了世界上最小的算盘。与普通算盘 不同的是，算珠不是用细杆穿起来，而是沿着铜表面的 原子台阶排列的? 这项试验的真正意义在于希望有一天， 人们能够自下而上的通过操纵原子、分子来随心所欲地 构造新的物质。
纳米加工关键技术
❖ 检测技术（包括检测纳米级表层物理力学性 能、纳米级精度的尺寸和位移的测量、纳米 级表面形貌的测量 ） ；环境条件控制；机床 及工具。
几种新兴的纳米加工技术
❖ 利用扫描隧道显微镜和原子力显微镜的纳米加工技术
❖ 化学合成方法 化学合成方法是制备纳米尺度电子学器件的另一 种途径——用化学过程“自下而上”地把微观体系的
物 质单元组装成纳米器件。由于用纳米探针进行机械合 成很难同时组装数目巨大的纳米结构和器件，所以研 究化学合成方法非常重要。
❖ 聚焦离子束技术
聚焦离子束(FIB)技术是在电场和磁场的作下，将离子 束聚焦到亚微米甚至纳米量级，通过偏转系统 及加 速系统控制离子束，实现微细图形的检测分析和 纳 米结构的无掩模加工。
纳米技术的发展简史
❖ 1959年，诺贝尔奖获得者、量子物理学家理查德.费曼（Richard Feynman）提出可以从 单个分子甚至单个原子开始组装制造物品，这是关于纳米科技的最早的梦想和预言。
❖ 1974年，日本学者谷口纪男（Taniguchi Norio）教授在CIRP上首次提出“Nanotechnology”概念，并预测2000年加工精度将达到1nm。
❖ 1999年开始，纳米技术产业逐步走向全面商业化，2000年纳米产品的营业额达到500 亿美元。
❖ 我国纳米科技成果概况： ❖ 1993年，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子
成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领 域占有一席之地，并居于国际科技前沿。 ❖ 1993年，中科院在北京举办了第7届国际STM（扫描隧道显 微镜）会议。 ❖ 1998年，清华大学范守善小组成功地制备出直径为3～ 50nm、长度达微米量级的氮化镓半导体一维纳米棒，是我 国在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶粒。 ❖ 1999年，中科院物理研究所解思深研究员率领的科研小 组，不仅合成了世界上最长的“超级纤维”碳纳米管，创造 了一项“3毫米的世界之最”，而且合成出世界上最细的碳 纳米管。 ❖ 2000年，中科院物理所真空物理开放实验室高鸿钧领导 的科研小组，将超高密度存储材料的信息存储点下降到 0.6nm，点与点之间的距离降到0.5nm，将现有光盘的存储 能力提高100万倍
LIGA制作零件过程
抗蚀剂
X射线曝光 腐蚀溶解
电铸
铸型 注射成 形零件
LIGA特点
➢ 可制作各种微器件和微装置，可制作任意复杂的图形结构。 ➢ 用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等。 ➢ 可以制作高度达0.1～0.5 mm，高宽比大于200的三维微结构，形状 精度达亚微米。 ➢ 可以实现大批量复制，成本较低。
❖ 1981年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为我们揭示了一个可见 的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。
❖ 1984年，德国学者格莱特（Gleiter），把粒径6nm的金属粉末压成纳米块，并且详细研 究它的内部结构，指出了它的界面奇异结构和特异功能。
❖ 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩与第五届国家扫描隧道显微镜 学术会议同时举办，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世。标志着 纳米科学技术的正式诞生。
纳米加工技术
机电研1002 曹改芳
纳米
❖ 纳米（符号为nm）是长度单位，原称毫微米， 就是10^-9米（10亿分之一米），即10^-6毫 米（100万分之一毫米）。如同厘米、分米 和米一样，是长度的度量单位。相当于4倍原 子大小，比单个细菌的长度还要小。
纳米技术
❖ 纳米技术（nanotechnology）是用单个原 子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技 术是以许多现代先进科学技术为基础的科学 技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、 介观物理、分子生物学）和现代技术（计算 机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核 分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将 引发一系列新的科学技术，例如纳电子学、 纳米材科学、纳机械学等。
❖ 1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍， 成为纳米技术研究的热点，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤 维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。
❖ 1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制 成功速度和存储容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。
LIGA技术在微制造领域发挥着越来越重要的作用。
LIGA工艺步骤
LIGA三维立体微细加工技 术，包括三个主要工序：
X射线光刻：以同步加速器放射的短 波长X射线作为曝光光源，在厚度达 0.5 mm的光致抗蚀剂上生成曝光图形 的三维实体；
电铸成形：用曝光蚀刻图形实体作电 铸模具，生成铸型；
注塑成形：以生成的铸型作为模具， 加工出所需微型零件。
❖ 准分子激光直写纳米加工技术
准分子激光(excimer laser)以其高分辨率、光子能 量 大、冷加工、“直写”特点、无环境污染以及对加 工材 料广泛的适应性，使其成为一种重要的MEMS 和纳米 加工技术。
❖ 纳米压印技术
于20世纪90年代中叶诞生的纳米压印 (naIloimprim limography，NIL)技术，最近被 国外称为 “将改变世界的十大新兴技术”之 一。NIL技术的概念 可说是源自于我们日常 生活中盖印章的行为，此动作可 将原来在印 章上的图形压印到另外一件物体表面上。
扫描隧道显微镜
❖ 扫描隧道显微镜 scanning tunneling microscope 缩写为STM。它作为一种扫描 探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科 学家观察和定位单个原子，它具有比它的同 类原子力显微镜更加高的分辨率。此外，扫 描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针 尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是 重要的测量工具又是加工工具。
❖ 探伤及修补
❖ STM在对表面进行加工处理的过程中可 实时对表面形貌进行成像，用来发现表面各 种结构上的缺陷和损伤，并用表面淀积和刻 蚀等方法建立或切断连线，以消除缺陷，达 到修补的目的，然后还可用STM进行成像以 检查修补结果的好坏。
❖ 微观操作
❖ 引发化学反应
❖ STM在场发射模式时，针尖与样品仍相 当接近，此时用不很高的外加电压（最低可 到10V左右）就可产生足够高的电场，电子 在其作用下将穿越针尖的势垒向空间发射。 这些电子具有一定的束流和能量，由于它们 在空间运动的距离极小，至样品处来不及发 散，故束径很小，一般为毫微米量级，所以 可能在毫微米尺度上引起化学键断裂，发生 化学反应。
工作原理
❖ 扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。就如
同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要 被分析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组 成）。一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流 从探针流出，通过整个材料，到底层表面。当探针 通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同， 这些变化被记录下来。电流在流过一个原子的时候 有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。在许
纳米神算子—— 分子算盘
纳米绘画艺术—— 纳米中国
微制作中的LIGA技术
LIGA—是德文Lithographic制版, Galuanoformung电铸 造成形, Abformung注塑三个词的缩写。是20世纪80年 代德国卡尔斯鲁厄原子核研究所开发出来的。
LIGA技术是光刻、电铸和模铸的复合微细加工技术， 可制作各种三维立体微型构件。
用LIGA技术与微细EDM结合制作的微结构
用LIGA技术与微细EDM结合制作的微结构
LIGA代表产品及应用
➢ 微传感器、微电机、微机械零件、微光学元件、微波元件、真空 电子元件、微型医疗器械等 ➢ 广泛应用于加工、测量、自动化、电子、生物、医学等领域
LIGA工作现场
用LIGA技术制作的微齿轮
用LIGA技术制作的微结构
用LIGA技术制作的环形微陀螺仪
用LIGA技术制作的微传感器和微制动器结构