納米加工技術(shù)

1、納米加工技術(shù)及其應(yīng)用江蘇科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 學(xué)號：139020021 姓名：原旭全納米尺度的研究作為一門技術(shù),是80年代剛剛興起的.它所研究的對象是一般研究機(jī)構(gòu)很難涉獵的即非宏觀又非微觀的中間領(lǐng)域,有人稱之為介觀領(lǐng)域.所謂納米技術(shù)通常指納米級(0.1nml00nm)的材料、設(shè)計、制造、測量、控制和產(chǎn)品的技術(shù).納米技術(shù)主要包括納米級精度和表面形貌的測量;納米級表層物理、化學(xué)、機(jī)械性能的檢測;納米級精度的加工和納米級表層的加工一一原子和分子的去除、搬遷和重組;納米材料;納米級微傳感器和控制技術(shù);微型和超微型機(jī)械;微型和超微型機(jī)電系統(tǒng);納米生物學(xué)等;納米加工技術(shù)是納米技術(shù)的一個組成部分.納米加工的含義

2、是達(dá)到納米級精度(包括納米級尺寸精度,納米級形位精度和納米級表面質(zhì)量)的加工技術(shù).其原理使用極尖的探針對被測表面掃描(探針和被側(cè)表面不接觸),借助納米級的三維位移控制系統(tǒng)測量該表面的三維微觀立體形貌.材料制造技術(shù).著名的諾貝爾獎獲得者Feyneman在20世紀(jì)60年代曾預(yù)言:如果我們對物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話,我們就能使物體得到大量的異乎尋常的特性,就會看到材料的性能產(chǎn)生豐富的變化.他說的材料即現(xiàn)在的納米材料.納米材料是由納米級的超微粒子經(jīng)壓實和燒結(jié)而成的.它的微粒尺寸大于原子簇,小于通常的微粒,一般為l一100nm.它包括體積份數(shù)近似相等的兩部分:一是直徑為幾個或幾十個納米的粒子

3、;二是粒子間的界面.納米材料的兩個重要特征是納米晶粒和由此產(chǎn)生的高濃度晶界.這導(dǎo)致材料的力學(xué)性能、磁性、介電性、超導(dǎo)性、光學(xué)乃至熱力學(xué)性能的改變.如:納米陶瓷由脆性變?yōu)?00%的延展性,甚至出現(xiàn)超塑性.納米金屬居然有導(dǎo)體變成絕緣體.金屬納米粒子摻雜到化纖制品或紙張中,可大大降低靜電作用.納米Tiq按一定比例加入到化妝品中,可有效遮蔽紫外線.當(dāng)前納米材料制造方法主要有:氣相法、液相法、放電爆炸法、機(jī)械法等.l)氣相法:¹熱分解法:金屬撥基化合物在惰性介質(zhì)(N2或潔凈油)中熱分解,或在H沖激光分解.此方法粒度易控制,適于大規(guī)模生產(chǎn).現(xiàn)在用于Ni、Fe、W、M。等金屬,最細(xì)顆?？蛇_(dá)3一10

4、nm.º真空蒸發(fā)法:金屬在真空中加熱蒸發(fā)后沉積于一轉(zhuǎn)動圓的流動油面上;可用真空蒸餾使顆粒濃縮.此法平均顆粒度小于10nm.2)液相法:¹沉積法:采用各種可溶性的化合物經(jīng)混合,反應(yīng)生成不溶解的氫氧化物、碳酸鹽、硫酸鹽或有機(jī)鹽等沉淀.把過濾后的沉淀物熱分解獲得高強(qiáng)超純細(xì)粉.采用此工藝制備出均質(zhì)的玻璃和陶瓷.由于該法可制備超細(xì)(10nm一100nm)、化學(xué)組成及形貌均勻的多種單一或復(fù)合氧化物粉料.已成為一種重要的超細(xì)粉的制備方法.3)放電爆炸法:金屬細(xì)絲在充滿惰性氣體的圓筒內(nèi)瞬間通人大電流而爆炸.此法可制造Mo.W等難熔金屬的超細(xì)顆粒(25一350nm),但不能連續(xù)操作.4)機(jī)械

5、法:利用單質(zhì)粉末在攪拌球磨(AttritorMill)過程中顆粒與顆粒間和顆粒與球之間的強(qiáng)烈、頻繁的碰撞粉碎.近幾年大量采用攪拌磨,即利用被攪拌棍攪拌的研磨介質(zhì)之間的研磨,將粉料粉碎粉碎效率比球磨機(jī)或振動磨都高.(3)三束加工技術(shù):可用于刻蝕、打孔、切割、焊接、表面處理等.l)電子束加工技術(shù):電子束加工時,被加速的電子將其能量轉(zhuǎn)化成熱能,以便除去穿透層表面的原子,因此不易得到高精度.但電子束可以聚焦成很小的束斑(巾0.1林m)照射敏感材料.用電子刻蝕,可加工出0.1林m線條寬度.而在制造集成電路中實際應(yīng)用.2)離子束加工技術(shù):因離子直徑為0.Inm數(shù)量級.故可直接將工件表面的原子碰撞出去達(dá)到加

6、工的目的.用聚焦的離子束進(jìn)行刻蝕,可得到精確的形狀和納米級的線條寬度.3)激光束加工技術(shù):激光束中的粒子是光子,光子雖沒有靜止質(zhì)量,但有較高的能量密度.激光束加工常用YAG激光器認(rèn)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擊去掉表面原子,而是光能使材料熔化、汽化后去掉原子.(4)LIGA(Lithographie,Galvanoforming,Abforming)技術(shù).這是最新發(fā)展的光刻、電鑄和模鑄的復(fù)合微細(xì)加工技術(shù).它采用深度同步輻射X射線光刻,可以制造最大高度為1000林m、高寬比為200的立體結(jié)構(gòu),加工精度可達(dá)0.1林m.刻出的圖形側(cè)壁陡峭,表面光滑.加工

7、微型器件可批量復(fù)制,加工成本低.目前,在LIGA工藝中再加入犧牲層的方法,使加工出的微器件一部分可脫離母體而能轉(zhuǎn)動或移動.這在制造微型電動機(jī)或其他驅(qū)動器時極為有用.LIGA技術(shù)對微型機(jī)械是非常有用的工藝方法.1與常規(guī)精加工的比較納米級加工中.工件表面的原子和分子是直接加工的對象.即需切斷原子間的結(jié)合.納米加工實際已到了加工的極限.而常規(guī)的精加工欲控制切斷原子間的結(jié)合是無能為力的,其局限性在于:l)高精度加工工件時,切削量應(yīng)盡量小而常規(guī)的切削和磨削加工,要達(dá)到納米級切除量,切削刀具的刀刃鈍圓半徑必須是納米級,研磨磨料也必須是超細(xì)微粉.目前對納米級刃口半徑還無法直接測量.2)工藝系統(tǒng)的誤差復(fù)映到工

8、件,工藝系統(tǒng)的受力/熱變形、振動、工件裝夾等都將影響工件精度.3)即使檢測手段和補(bǔ)償原理正確,加工誤差的補(bǔ)償也是有限的.4)加工過程中存在不穩(wěn)定因素.如切削熱,環(huán)境變化及振動等.由此可見.傳統(tǒng)的切削/磨削方法,一方面由于加工方法的局限或由于加工機(jī)床精度所限,顯示出在納米加工領(lǐng)域應(yīng)用裕度不足.另一方面,由于科技產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展,加工技術(shù)的極限不斷受到挑戰(zhàn).有研究表明,磨削可獲得o.35nm的表面粗糙度,但對如何實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的納米機(jī)加工以及觀察研究材料微加工過程力學(xué)性能則始終受到實驗手段的限制.因此納米機(jī)加工必須尋求新的途徑即直接用光子、電子、離子等基本粒子進(jìn)行加工.例如,用電子束光刻加工超大規(guī)模集

9、成電路.2.微納米加工技術(shù)的分類自人類發(fā)明工具以來,加工是人類生產(chǎn)活動的主要內(nèi)容之一.所謂加工是運(yùn)用各種工具將原材料改造成為具有某種用途的形狀.一提到加工,人們自然會聯(lián)想到機(jī)械加工.機(jī)械加工是將某種原材料經(jīng)過切削或模壓形成最基本的部件,然后將多個基本部件裝配成一個復(fù)雜的系統(tǒng).某些機(jī)械加工也可以稱為微納米加工.因為就其加工精度而言,某些現(xiàn)代磨削或拋光加工的精度可以達(dá)到微米或納米量級.但本文所討論的微納米加工技術(shù)是指加工形成的部件或結(jié)構(gòu)本身的尺寸在微米或納米量級.微納米加工技術(shù)是一項涵蓋門類廣泛并且不斷發(fā)展中的技術(shù).在2004年國際微納米工程年會上,曾有人總結(jié)出多達(dá)60種微納米加工方法.可見實現(xiàn)微

10、納米結(jié)構(gòu)與器件的方法是多樣的.本文不可能將所有微納米加工技術(shù)一一介紹.對這些加工技術(shù)的詳細(xì)介紹目前已有專著出版.筆者在此僅將已開發(fā)出的微納米加工技術(shù)歸納為三種類型作概括性的介紹（1） 平面工藝以平面工藝為基礎(chǔ)的微納米加工是與傳統(tǒng)機(jī)械加工概念完全不同的加工技術(shù).圖1描繪了平面工藝的基本步驟.平面工藝依賴于光刻( lithography)技術(shù).首先將一層光敏物質(zhì)感光,通過顯影使感光層受到輻射的部分或未受到輻射的部分留在基底材料表面,它代表了設(shè)計的圖案.然后通過材料沉積或腐蝕將感光層的圖案轉(zhuǎn)移到基底材料表面.通過多層曝光,腐蝕或沉積,復(fù)雜的微納米結(jié)構(gòu)可以從基底材料上構(gòu)筑起來.這些圖案的曝光可以通過光

11、學(xué)掩投影實現(xiàn),也可以通過直接掃描激光束,電子束或離子束實現(xiàn).腐蝕技術(shù)包括化學(xué)液體濕法腐蝕和各種等離子體干法刻蝕.材料沉積技術(shù)包括熱蒸發(fā)沉積,化學(xué)氣相沉積或電鑄沉積.圖1 平面工藝的基本過程:在硅片上涂光刻膠、曝光、顯影,然后把膠的圖形通過刻蝕或沉積轉(zhuǎn)移到其他材料（2）探針工藝探針工藝可以說是傳統(tǒng)機(jī)械加工的延伸,這里各種微納米尺寸的探針取代了傳統(tǒng)的機(jī)械切削工具.微納米探針不僅包括諸如掃描隧道顯微探針,原子力顯微探針等固態(tài)形式的探針,還包括聚焦離子束,激光束,原子束和火花放電微探針等非固態(tài)形式的探針.原子力探針或掃描隧道電子探針一方面可以直接操縱原子的排列,同時也可以直接在基底材料表面形成納米量級

12、的氧化層結(jié)構(gòu)或產(chǎn)生電子曝光作用.這些固體微探針還可以通過液體輸運(yùn)方法將高分子材料傳遞到固體表面,形成納米量級的單分子層點陣或圖形.非固態(tài)微探針如聚焦離子束,可以通過聚焦得到小于10nm的束直徑,由聚焦離子束濺射刻蝕或化學(xué)氣體輔助沉積可以直接在各種材料表面形成微納米結(jié)構(gòu).聚焦激光束已經(jīng)廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)加工工業(yè),作為切割或焊接工具.高度聚焦的激光束也可以直接剝蝕形成微納米結(jié)構(gòu),例如近年來出現(xiàn)的飛秒激光加工技術(shù).利用激光對某些有機(jī)化合物的光固化作用也可以直接形成三維立體微納米結(jié)構(gòu).只要加工的工具足夠小,即使傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)也有可能制作微米量級的結(jié)構(gòu).例如,利用聚焦離子束的微加工能力可以制造尖端小于10

13、Lm的高速鋼銑刀.這種微型銑刀可以加工小于100Lm的溝槽或臺階結(jié)構(gòu).探針工藝與平面工藝的最大區(qū)別是,探針工藝只能以順序方式加工微納米結(jié)構(gòu).而平面工藝是以平行方式加工,即大量微結(jié)構(gòu)同時形成.因此平面工藝是一種適合于大生產(chǎn)的工藝.但探針工藝是直接加工材料,而不是像平面工藝那樣通過曝光光刻膠間接加工.3納米級加工的關(guān)鍵技術(shù)(l)測量技術(shù)納米級測量技術(shù)包括納米級精度的尺寸和位移的測量、納米級表面形貌的測量.納米級測量技術(shù)主要有兩個發(fā)展方向:1)光干涉測量技術(shù):可用于長度、位移、表面顯微形貌的精確測量.用此原理測量的方法有雙頻激光干涉測量、光外差干涉測量、X射線干涉測量等.2)掃描探針顯微測量技術(shù):主

14、要用于測量表面微觀形貌.用此原理的測量方法有掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)等. (5)掃描隧道顯微加工技術(shù)(sTM).掃描隧道顯微加工技術(shù)是納米加工技術(shù)中的最新發(fā)展,可實現(xiàn)原子、分子的搬遷、去除、增添和排列重組,可實現(xiàn)極限的精加工或原子級的精加工.近年來這方面發(fā)展迅速,取得多項重要成果.1990年美國Eigler等人,在低溫和超真空環(huán)境中,用STM將鎳表面吸附的xe(氛)原子逐一搬遷,最終以35個Xe原子排成IBM3個字母,每個字母高snm.Xe原子間最短距離約為Inm,以后他們又實現(xiàn)了原子的搬遷排列.在鉑單晶的表面上,將吸附的一氧化碳分子用sTM搬遷排列起來,構(gòu)成一個身高s

15、nm的世界上最小人的圖樣.此“一氧化碳小人”的分子間距僅為0.snm.將STM用于納米級光刻加工時,它具有極細(xì)的光斑直徑,可以達(dá)原子級,可得到10nm寬的線條圖案.4微型機(jī)械和微型機(jī)電系統(tǒng) (l)微型機(jī)械.現(xiàn)在微型機(jī)械的研究已達(dá)到較高水平,已能制造多種微型零件和微型機(jī)構(gòu).已研制成功的三維微型機(jī)械構(gòu)件有微齒輪、微彈簧、微連桿、微軸承等.微執(zhí)行器是比較復(fù)雜、難度大的微型器件,研制成功的有微閥、微泵、微開關(guān)、微電動機(jī)等.(2)微型機(jī)電系統(tǒng).MEMS是在微電子工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域.是納米加工技術(shù)走向?qū)嵱没?能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的主要領(lǐng)域.比如:l)微型機(jī)器人是一個非常復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng).

16、美國正在研制的無人駕駛飛機(jī)僅有蜻蜓大小,并計劃進(jìn)一步縮小成蚊子機(jī)器人,用于收集情報和竊聽.醫(yī)用超微型機(jī)器人是最有發(fā)展前途的應(yīng)用領(lǐng)域.它可進(jìn)入人的血管,從主動脈管壁上刮去堆積的脂肪,疏通患腦血栓病人阻塞的血管.日本制定了采用機(jī)器人外科醫(yī)生的計劃,并正在開發(fā)能在人體血管中穿行、用于發(fā)現(xiàn)并殺死癌細(xì)胞的超微型機(jī)器人.2)微型慣性儀表:慣性儀表是航空、航天、航海中指示方向的導(dǎo)航儀器,由于要求體積小、重量輕、精度高、工作可靠.因此是微型機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用的理想領(lǐng)域.現(xiàn)在國外已有微型加速度幾何微型陀螺儀的商品生產(chǎn),體積和重量都很小,但尚需提高精度.由于MEMs的發(fā)展已初具基礎(chǔ),微型器件的發(fā)展也已達(dá)到一定水平,同時

17、有微電子工業(yè)制造集成電路的經(jīng)驗可借鑒,各產(chǎn)業(yè)部門又有使用MEMS的要求,因此現(xiàn)在MEMS的發(fā)展條件已具備.4.微納米加工技術(shù)發(fā)展趨勢微納米加工技術(shù)是一項不斷發(fā)展中的技術(shù). 新技術(shù)取代老技術(shù),先進(jìn)技術(shù)取代落后技術(shù)是客觀發(fā)展規(guī)律.加工技術(shù)本身從來都只是手段,其目的是服務(wù)于科學(xué)研究或工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn).因此新的科研課題或新的工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)會不斷對加工技術(shù)提出新的要求.新的加工技術(shù)將會不斷出現(xiàn).5.參考文獻(xiàn)1崔錚.為納米加工技術(shù)及其應(yīng)用.北京:高教出版社, 20052張?zhí)m娣,溫秀梅.納米加工技術(shù)及其應(yīng)用闡述.20063陳海峰等.利用 AFM在 Au-Pd合金膜上制備納米結(jié)構(gòu)J. 科學(xué)通報,19984顧長志等.微納米加工技術(shù)在納米物理與器件研究中的應(yīng)用J.物理,20065郭佑彪等.納米加工技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀J.安徽化工,20056陳寶欽.微光刻與微/納米加工技術(shù)J.微納電子技術(shù),20117 朱團(tuán).新型納米加工技術(shù)的研究進(jìn)展J.科技創(chuàng)新與應(yīng)用,20148 李勇