高技術(shù)領(lǐng)域中微納米制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

高技術(shù)領(lǐng)域中微納米制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

1有機(jī)納米器件mems隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)谛畔ⅰ⑸?、環(huán)境、醫(yī)學(xué)、航天航天、靈活武器等領(lǐng)域?qū)で鬂M足需求的小型設(shè)備。這一發(fā)展趨勢(shì)對(duì)現(xiàn)代制造業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。目前，微納制造技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)的一個(gè)重要方向。這是21世紀(jì)最具前景的三個(gè)領(lǐng)域之一，也是世界上最激烈、發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。微/納米器件中起主導(dǎo)作用的是微/納米電子器件.針對(duì)繼硅基微電子器件之后將會(huì)出現(xiàn)何種納米電子器件,目前國際上已提出了多種解決方案.其思路基本可分為2種:其一為研究開發(fā)最小特征線寬為20～50nm的器件,作為現(xiàn)有集成電路的進(jìn)一步微細(xì)化,其設(shè)計(jì)思想基本不變,但在材料、光刻和摻雜等制造要素的原理與工藝方面將會(huì)發(fā)生較大變化,如有可能使用有機(jī)物或聚合物材料,從而制得有機(jī)納米電子器件;其二則與現(xiàn)有微電子原理和工藝完全不同,利用量子效應(yīng)構(gòu)成全新的量子結(jié)構(gòu)系統(tǒng).國內(nèi)外有關(guān)實(shí)驗(yàn)室已在研究各種可能的器件模式,如量子點(diǎn)、量子線、單電子晶體管、單原子開關(guān)及自旋電子器件等;而納米量子結(jié)構(gòu)中波函數(shù)工程的提出使得研究者有可能從量子態(tài)波函數(shù)出發(fā)來設(shè)計(jì)新一代量子器件,開辟了量子相干的電子和光電子新領(lǐng)域.這些研究目前尚處于基本現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)、基本原理探索和基本結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)階段,但進(jìn)展很快.如美國哈佛大學(xué)、荷蘭Deift大學(xué)等用碳納米管和納米導(dǎo)線為材料成功制備出了二極管和場效應(yīng)晶體管;美國加里福尼亞大學(xué)伯克利分校和貝爾實(shí)驗(yàn)室嘗試用幾百個(gè)原子的晶體制作量子島;美國加里福尼亞大學(xué)洛杉機(jī)分校和惠普實(shí)驗(yàn)室開展了利用共振隧道效應(yīng)使有機(jī)分子實(shí)現(xiàn)“通”、“斷”狀態(tài)轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)研究等.這些基礎(chǔ)研究顯示了下一代電子器件發(fā)展的新方向和進(jìn)入量子化的新階段.但上述原理性的實(shí)驗(yàn)如何才能演變?yōu)榫哂羞\(yùn)算功能的電路和器件還有賴于進(jìn)行一系列由功能原理向制造原理轉(zhuǎn)化的研究.微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)是電子與機(jī)械相結(jié)合的微機(jī)電系統(tǒng),具有微驅(qū)動(dòng)-微制動(dòng)機(jī)電微結(jié)構(gòu)集成的特點(diǎn).在尺度趨向微米、納米時(shí),小尺度效應(yīng)產(chǎn)生的問題需要利用新的原理來加以解決.而多能域(電、機(jī)械、熱、光和化學(xué)等)耦合問題在MEMS中更為突出,是與材料特性和制造過程多參數(shù)相關(guān)的復(fù)雜系統(tǒng)問題.高性能電子器件(HPED)向更小尺度、更高功效的發(fā)展既是市場的需要,更是科學(xué)自身發(fā)展的必然.目前世界范圍內(nèi)針對(duì)納米電子器件和分子電子器件的研究剛起步,以MEMS為核心的微生命系統(tǒng)、微慣性系統(tǒng)和微傳感系統(tǒng)雖已有產(chǎn)品問世,但由于缺乏MEMS共用元件和技術(shù)模式,因此,相應(yīng)的MEMS器件和技術(shù)研究仍有廣闊的發(fā)展空間.美國半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)計(jì):“目前這場采用納米量子結(jié)構(gòu)的信息技術(shù)硬件革命,完全可以與30年前用微電子集成芯片取代晶體管所引發(fā)的那場革命相提并論”.在微/納米制造領(lǐng)域,我國在關(guān)鍵制造理論與技術(shù)方面已開展了大量研究工作,但由于科技投入力度較弱,整體與國際差距很大.所以我們應(yīng)及早把握住這一重大科技發(fā)展方向,抓住機(jī)遇,力爭在微/納米制造技術(shù)領(lǐng)域的競爭中贏得優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)我國由“制造大國”向“制造強(qiáng)國”的轉(zhuǎn)變.2微/納米制造關(guān)鍵共性制造技術(shù)在微/納米制造技術(shù)中,由于制造的特征尺寸(如精度、間隙、表面粗糙度及芯片線寬等)達(dá)到納米量級(jí),結(jié)構(gòu)尺寸有時(shí)也達(dá)到微米甚至納米量級(jí),因此出現(xiàn)了一系列新的科學(xué)問題.當(dāng)器件的尺度從1mm減小到1μm時(shí),面積減小近1百萬倍,而體積減小近10億倍.此時(shí),正比于面積的摩擦力、粘性力和表面張力等阻力與正比于體積的慣性力和電磁力等相比增大達(dá)數(shù)千倍.正因?yàn)槿绱?在微/納米器件的設(shè)計(jì)、制造和使用過程中,發(fā)生在表面和界面的摩擦學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)等行為占據(jù)了主導(dǎo)地位,而深入揭示這些表面行為的規(guī)律并尋求其有效的控制方法是當(dāng)前微/納米制造科學(xué)和技術(shù)亟待解決的重要課題.一般認(rèn)為,微/納米制造技術(shù)涉及到以下關(guān)鍵共性制造技術(shù).2.1微細(xì)結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)單位體積或單位面積內(nèi)功能結(jié)構(gòu)單元的密度往往決定著產(chǎn)品的性能.目前有2種微結(jié)構(gòu)制造方案,即“自上而下”和“自下而上”的方案.“自上而下”技術(shù)主要立足于傳統(tǒng)的加工方式,通過不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新來突破原有的加工極限,以實(shí)現(xiàn)微小結(jié)構(gòu)的制造,其代表工藝有光刻技術(shù)、微壓印技術(shù)和離子束刻蝕技術(shù)等.以集成電路制造為例,其線寬達(dá)90nm以下,故特別需要關(guān)注線寬為24～50nm的集成電路制造技術(shù).“自下而上”的制造技術(shù)則主要立足于分子自組裝技術(shù)、生物自復(fù)制技術(shù)和微操縱技術(shù)等.IBM公司制作的由48個(gè)鐵原子構(gòu)成的“量子?xùn)艡凇睘槲⑿〗Y(jié)構(gòu)的實(shí)例;圖1示出了Soong等用三磷酸腺苷酶分子(adenosinetriphosphate,APT)制作的生物分子馬達(dá),其轉(zhuǎn)速可達(dá)4.8r/s.總體而言,無論是“自上而下”還是“自下而上”的制造技術(shù),其相應(yīng)的界面粘著問題、摩擦力非線性問題和分子遷移過程的微摩擦學(xué)問題等均已成為微結(jié)構(gòu)制造技術(shù)中有待突破的主要瓶頸.2.2執(zhí)行磁頭壓碎目前對(duì)晶片、硬盤和磁頭的表面加工平整度要求達(dá)到了納米級(jí),表面粗糙度要求達(dá)到了亞納米級(jí).在相應(yīng)的表面加工過程中必然涉及微潤滑和磨損機(jī)理及技術(shù).另外,為了實(shí)現(xiàn)納米精度加工,新的加工技術(shù)和方法如雙光子加工技術(shù)和超微細(xì)電火花技術(shù)等應(yīng)運(yùn)而生,這些新興的加工技術(shù)也需要解決在不同能量場作用下加工界面與離子流的相互作用,包括微摩擦和微磨損作用.下面以計(jì)算機(jī)硬盤為例加以說明.隨著硬盤磁存儲(chǔ)密度的快速上升,磁頭與磁盤磁介質(zhì)之間的距離進(jìn)一步減小,對(duì)磁盤表面質(zhì)量的要求也越來越高.一方面,當(dāng)硬盤表面具有波度時(shí),磁頭會(huì)隨著高速旋轉(zhuǎn)的存儲(chǔ)器波動(dòng)而上、下運(yùn)動(dòng),如果波度超過一定的高度,磁頭將不能隨著波度運(yùn)動(dòng),而是與磁盤基片表面碰撞,發(fā)生所謂的“磁頭壓碎”,導(dǎo)致磁盤設(shè)備發(fā)生故障或讀寫信息錯(cuò)誤;另一方面,當(dāng)存儲(chǔ)器硬盤表面存在數(shù)微米的微凸起時(shí)也會(huì)發(fā)生磁頭壓碎.此外,當(dāng)硬盤表面存在納米級(jí)凹坑(如圖2所示)時(shí),在超高密度(1Tb/in2)存儲(chǔ)中將難以完整地寫入信息,從而導(dǎo)致“比特缺損”或信息讀出失敗.因此,就盤片表面拋光而言,要求使得磁頭浮動(dòng)高度更小、表面極光滑和無表面缺陷(突起、劃痕和凹坑).20世紀(jì)90年代興起的新型化學(xué)機(jī)械拋光(簡稱CMP)技術(shù)是機(jī)械磨削和化學(xué)腐蝕的組合技術(shù),它借助超微粒子的研磨作用以及拋光液的化學(xué)腐蝕作用使被拋光表面滿足很高的光潔、平坦要求.目前,大多數(shù)硬盤盤片的材料為鍍覆鎳-磷的鋁合金,用CMP技術(shù)對(duì)盤片進(jìn)行最終精拋光,能達(dá)到最終表面粗糙度Ra值在0.2nm左右.目前國內(nèi)最新研究成果顯示,盤片的Ra值可控制到0.1nm(基于原子力顯微鏡AFM測試).隨著硬盤技術(shù)的發(fā)展,對(duì)盤片表面質(zhì)量的要求不斷提高,逐步要求盤片的Ra值降至到0.1nm以下.因此,深入研究盤片CMP拋光機(jī)理,開發(fā)新型的拋光液及拋光技術(shù)已迫在眉睫,其中摩擦學(xué),特別是微磨損和潤滑占據(jù)主導(dǎo)地位.如圖2所示,經(jīng)過超精密化學(xué)機(jī)械拋光處理的硬盤表面存在源于超光滑表面和納米顆粒碰撞的深2nm的納米劃痕,如何避免這些微損傷缺陷,實(shí)現(xiàn)盡量完美的表面加工是摩擦學(xué)家面臨的艱巨任務(wù).2.3納米間隙控制的現(xiàn)狀就含有運(yùn)動(dòng)部件的電子產(chǎn)品(如硬盤及MEMS)和制造裝備而言,保證運(yùn)動(dòng)副間隙處于嚴(yán)格的控制范圍對(duì)器件的工作可靠性至關(guān)重要.以計(jì)算機(jī)硬盤為例,其信息的讀寫由磁頭和磁盤之間的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn).硬盤盤片的多層膜組成從內(nèi)到外依次為盤基、底層、襯層、磁記錄層、保護(hù)層和潤滑層;磁頭和磁盤運(yùn)動(dòng)副涉及高精度、高速度運(yùn)動(dòng)控制和定位、微摩擦與磨損、表面加工與改性等問題.這就從納米間隙控制技術(shù)方面對(duì)新型硬盤的制造技術(shù)提出了更高要求.計(jì)算機(jī)硬盤在尺寸小型化和存儲(chǔ)量擴(kuò)大方面的發(fā)展極為迅速.目前,硬盤尺寸已從20世紀(jì)80年代的14吋急劇減小至0.85吋,存儲(chǔ)量則由1.89GB飛速提高到120GB以上,并逐步向1000GB發(fā)展.磁頭的飛行高度隨磁存儲(chǔ)密度的升高而迅速下降,飛行控制精度卻不斷提高,2004年報(bào)道的最小飛行高度已降至8nm.目前國際上正力求實(shí)現(xiàn)飛行高度3nm以下運(yùn)動(dòng)間隙的精確控制,而空氣中分子的自由行程為70nm,這就必然面臨界面約束很強(qiáng)的稀薄氣體潤滑問題.其原因在于,隨著磁頭在磁盤上飛行高度的降低,潤滑氣體的稀薄效應(yīng)顯著增強(qiáng),而此時(shí)研究磁頭浮動(dòng)特性時(shí)必須考慮氣體分子平均自由程的影響.由于早期的氣膜較厚,努森數(shù)較小,故可將氣流視為在滑流領(lǐng)域的連續(xù)介質(zhì).隨著磁記錄技術(shù)的不斷發(fā)展,頭/盤間隙越來越小(接近1/10分子自由行程),潤滑氣體的稀薄效應(yīng)不容忽視.因此,建立新的潤滑方程和模型,為納米間隙運(yùn)動(dòng)副提供設(shè)計(jì)理論已成為急需解決的問題.2.4保持系統(tǒng)和控制精度高納米線寬的光刻機(jī)和用于納米精度加工的雙光子加工裝備要求其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)為納米級(jí)精度.高性能電子產(chǎn)品的制造對(duì)電子制造裝備的加速度和定位精度提出了更高要求.如目前最先進(jìn)的光刻工作臺(tái)的控制精度接近10nm,延時(shí)僅1μs即會(huì)導(dǎo)致工作臺(tái)產(chǎn)生480μm的滯后誤差;芯片封裝引線鍵合將向加速度12g以上、鍵合速度15線/s以上、位置誤差2μm以下的方向發(fā)展.特別是多層引線鍵合的發(fā)展要求運(yùn)動(dòng)軌跡和位置的控制精度更加精確.在這些運(yùn)動(dòng)過程中,如何消除摩擦、穩(wěn)定摩擦或控制摩擦是一個(gè)關(guān)鍵問題.2.5微/納米系統(tǒng)的表面處理在微/納米制造技術(shù)中,往往對(duì)表面的物理和化學(xué)特性有特殊要求,如高抗?jié)裥?、高潔凈度、?yōu)良的耐磨性和超潤滑等.如圖3所示的微馬達(dá)運(yùn)行240min后失效,而摩擦副的粘著和磨損是導(dǎo)致失效的主要原因.另外,對(duì)微陀螺、微噴、微泵和微閥等微/納米系統(tǒng)表面的減摩、耐磨處理非常重要.仍以計(jì)算機(jī)硬盤為例,由于病毒的尺寸通常為60～80nm,遠(yuǎn)大于磁頭、磁盤間隙;而磁盤表面的任何微小污染均可能導(dǎo)致硬盤失效,因此對(duì)硬盤表面進(jìn)行處理以降低其表面能的重要性不言而喻.利用超硬膜和仿生表面技術(shù)等可以有效地提高表面耐磨性能.研究表明,對(duì)沙蜴背部和鋼表面進(jìn)行噴砂處理可以顯著提高其表面抗磨性能,而經(jīng)噴砂處理的沙蜴表面抗磨性能顯著優(yōu)于經(jīng)噴砂處理的鋼表面(見圖4),這顯示仿生抗磨技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景.總體來看,就前述幾項(xiàng)共性技術(shù)而言,其許多指標(biāo)已超出傳統(tǒng)制造研究的范疇,并深入到納米尺度的表面和界面設(shè)計(jì)及制造與控制,相應(yīng)的摩擦學(xué)研究成為關(guān)鍵之一.3摩擦學(xué)的任務(wù)從國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和微/納米制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)來看,需要開展以下摩擦學(xué)問題研究.3.1新一代超精密表面制造方法產(chǎn)品的高集成度和高性能化發(fā)展對(duì)許多部件表面提出了前所未有的特殊要求,如計(jì)算機(jī)硬盤要實(shí)現(xiàn)1000GB/in2的存儲(chǔ)密度,希望盤片的表面波紋度Wa<0.1nm,粗糙度Ra<0.05nm;又如大規(guī)模集成電路的線寬不斷下降(<65nm),并向結(jié)構(gòu)立體化和布線多層化發(fā)展,要求大尺寸晶片表面具有納米級(jí)面型精度和亞納米級(jí)表面粗糙度,同時(shí)要保證表面和亞表面無損傷.就新一代超精密表面制造方法如化學(xué)機(jī)械拋光、原子尺度碰撞和材料去除等而言,采用傳統(tǒng)的加工理論已能解釋超精密加工中的諸多現(xiàn)象;而目前對(duì)加工過程中納米粒子的行為及其與表面的作用規(guī)律還缺乏深入了解.因此有必要研究納米固體粒子作用原理和規(guī)律、納米精度表面的檢測原理和表面損傷機(jī)理、表面亞納米級(jí)加工的材料去除原理等.3.2潤滑薄膜的動(dòng)態(tài)測試方法含有運(yùn)動(dòng)部件的電子產(chǎn)品如計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器、微機(jī)械驅(qū)動(dòng)器和光存儲(chǔ)系統(tǒng)等產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)副間隙越來越小,間隙的大小成為制約產(chǎn)品性能的決定性因素.如高精度軸承的潤滑膜厚度低至幾到幾十納米,此時(shí)由于壁面的約束和表面力作用,潤滑膜流變性能與亞微米級(jí)潤滑膜相比表現(xiàn)出明顯差異.硬盤的存儲(chǔ)密度由60GB/in2提高到1000GB/in2時(shí),磁頭與磁盤之間的間隙必須由8nm降至2～3nm,不到氣體分子自由行程的1/20,而剪應(yīng)變率高達(dá)1010/s.目前此類運(yùn)動(dòng)副設(shè)計(jì)中均延用修正Reynolds方程來描述液體和氣體的流動(dòng)規(guī)律,當(dāng)間隙減小至數(shù)納米時(shí),將會(huì)導(dǎo)致很大誤差.為此必須在考慮氣體稀薄效應(yīng)以及壁面對(duì)氣體和液體分子的約束作用的基礎(chǔ)上,建立納米薄膜流動(dòng)理論,探討流體薄膜在納米間隙條件下的承載原理;同時(shí)需要研究納米間隙的精確動(dòng)態(tài)測量技術(shù)以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)理論的精確性和有效程度;同時(shí)還需要研究納米間隙運(yùn)動(dòng)副表面的微觀力學(xué)問題、納米間隙運(yùn)動(dòng)副的設(shè)計(jì)理論與方法、納米間隙運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與狀態(tài)測試技術(shù)等.3.3超精密表面制造和改性技術(shù)應(yīng)具有的超精密表面制造和應(yīng)用簡介通常要求高性能電子器件和微/納米器件表面具有特殊的物理和化學(xué)性質(zhì),如抗?jié)裥浴崈舳?、耐磨和潤滑特性?這些特殊的技術(shù)要求對(duì)超精密表面制造和改性提出了嶄新的課題.與此相適應(yīng),表面分子修飾和組裝等應(yīng)運(yùn)而生并展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景.相關(guān)的研究課題主要包闊:表面分子修飾和微結(jié)構(gòu)組裝的理論和技術(shù)、超薄(<1nm)固體改性膜的制備技術(shù)、超薄分子膜在固體表面的吸附與遷移特性、超低能表面的制備方法等.3.4微尺度復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)加工技術(shù)微細(xì)特征的壓印成形和微連接技術(shù)在微細(xì)器件制造和封裝技術(shù)的發(fā)展中占據(jù)重要地位.在成形和封裝過程中均存在界面摩擦問題.以微壓印過程為例,形狀載體和受體相變構(gòu)型力及工藝環(huán)境對(duì)界面摩擦和粘著特性的影響很大,并進(jìn)而嚴(yán)重影響壓印后圖型的保真度.計(jì)算機(jī)磁頭、微機(jī)電系統(tǒng)及許多光電子器件需實(shí)現(xiàn)微尺度復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)加工.微細(xì)電火花、實(shí)時(shí)原位雙光子三維加工方法具有良好的應(yīng)用前景,在微細(xì)電火花加工過程中粒子碰撞可引起能量耦合與轉(zhuǎn)換.實(shí)時(shí)原位雙光子加工是通過高數(shù)值孔徑物鏡將飛秒激光聚焦在極小體積內(nèi)(λ3),足夠高的脈沖能量保證了極小范圍內(nèi)的分子吸收2個(gè)光子,產(chǎn)生光化反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)聚焦點(diǎn)內(nèi)更小范圍的微細(xì)加工.這2種加工工藝均可通過在加工對(duì)象上移動(dòng)加工