第八章微細(xì)加工技術(shù)和納米技術(shù)

1、精密和超精密加工技術(shù),華南理工大學(xué)陳松茂 講師,第八章 微細(xì)加工技術(shù)和納米技術(shù),本章主要提要,8.1 微細(xì)加工技術(shù)的出現(xiàn),一、微細(xì)加工出現(xiàn)的歷史背景：精密機(jī)械零件、儀表零件的微細(xì)加工 (如：鐘表、計(jì)量?jī)x器、醫(yī)療器械、光學(xué)儀器、微型電機(jī)、微型齒輪等)電子設(shè)備微型化和集成化的需要 (如：計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)、航空航天、大規(guī)模集成電路等)現(xiàn)代科技的發(fā)展，已經(jīng)形成一門新興學(xué)科，即：微小機(jī)械學(xué)(如：微型電機(jī)軸徑0.1mm；微型齒輪外徑0.

2、125mm),2,微小機(jī)械學(xué)發(fā)展：,微機(jī)械或微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。它給國(guó)民經(jīng)濟(jì)、人民生活和國(guó)防、軍事等帶來了深遠(yuǎn)的影響，被列為21世紀(jì)關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著微/納米科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，以形狀尺寸微小或操作尺度極小為特征的微機(jī)械已成為人們?cè)谖⒂^領(lǐng)域認(rèn)識(shí)和改造客觀世界的一種高新技術(shù)。微機(jī)械由于具有能夠在狹小空間內(nèi)進(jìn)行作業(yè)而又不擾亂工作環(huán)境和對(duì)象的特點(diǎn)，在航空航天、精密儀器、生物醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣

3、闊的應(yīng)用潛力，受到世界各國(guó)的高度重視。微機(jī)械涉及的基本技術(shù)主要有：微機(jī)械設(shè)計(jì)；微機(jī)械材料；微細(xì)加工；集成技術(shù)；微裝配和封接；微測(cè)量；微能源；微系統(tǒng)控制等。微機(jī)械的制造和生產(chǎn)離不開微細(xì)加工技術(shù)。,3,MEMS是一項(xiàng)國(guó)際公認(rèn)的戰(zhàn)略高技術(shù)。,1987年，UC Berkeley 研制的硅靜電馬達(dá)( 轉(zhuǎn)子直徑120微米，電容間隙2 微米) 問世，引起轟動(dòng)。專家預(yù)言，它的意義可與當(dāng)年晶體管的發(fā)明相比。,4,機(jī)械的微型化及相關(guān)的制造技術(shù),傳統(tǒng)機(jī)

4、械,納米機(jī)械,微小型機(jī)械,,,傳統(tǒng)制造技術(shù),微細(xì)制造技術(shù)MEMS技術(shù),納米制造技術(shù),,5,,,微型機(jī)床,6,放在手提箱里的機(jī)械廠,7,8,8.2 微細(xì)加工的概念及其特點(diǎn),東京工業(yè)大學(xué)的谷口紀(jì)男教授首先提出了納米技術(shù)術(shù)語(yǔ)，明確提出以納米精度為超精密加工的奮斗目標(biāo)。所謂微細(xì)加工技術(shù)就是指能夠制造微小尺寸零件的加工技術(shù)的總稱。廣義地講，微細(xì)加工技術(shù)包含了各種傳統(tǒng)精密加工方法和與其原理截然不同的新方法，如微細(xì)切削磨料加工、微細(xì)特種加工、半

5、導(dǎo)體工藝等；狹義地講，微細(xì)加工技術(shù)是在半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，微細(xì)加工技術(shù)主要是指半導(dǎo)體集成電路的微細(xì)制造技術(shù)，如氣相沉積、熱氧化、光刻、離子束濺射、真空蒸鍍等。,9,目前微細(xì)加工領(lǐng)域的幾大流派：以美國(guó)為代表的硅基MEMS技術(shù)以德國(guó)為代表的LIGA技術(shù)以日本為代表的機(jī)械加工方法的微細(xì)化 他們的研究與應(yīng)用情況基本代表了國(guó)際微細(xì)加工的水平和方向，應(yīng)密切關(guān)注。,10,,微細(xì)加工與常規(guī)尺寸的加工的機(jī)理是截然不同

6、的。微細(xì)加工與一般尺度加工的主要區(qū)別體現(xiàn)在： 1. 加工精度的表示方法不同。在一般尺度加工中，加工精度常用相對(duì)精度表示；而在微細(xì)加工中，其加工精度則用絕對(duì)精度表示。加工單位概念的引入。 2. 加工機(jī)理存在很大的差異。由于在微細(xì)加工中加工單位的急劇減小，此時(shí)必須考慮晶粒在加工中的作用。 3. 加工特征明顯不同。一般加工以尺寸、形狀、位置精度為特征；微細(xì)加工則由于其加工對(duì)象的微小型化，目前多以分離或結(jié)合原子、分子為特

7、征。,11,,微細(xì)加工作為精密加工領(lǐng)域中的一個(gè)極重要的關(guān)鍵技術(shù)，目前有如下的幾個(gè)特點(diǎn)：1. 微細(xì)加工和超微細(xì)加工是多學(xué)科的制造系統(tǒng)工程；2. 微細(xì)加工和超微細(xì)加工是多學(xué)科的綜合高新技術(shù)；3. 平面工藝是微細(xì)加工的工藝基礎(chǔ)；4. 微細(xì)加工技術(shù)和精密加工技術(shù)互補(bǔ)；5. 微細(xì)加工和超微細(xì)加工與自動(dòng)化技術(shù)聯(lián)系緊密；6. 微細(xì)加工檢測(cè)一體化。,12,8.3 微細(xì)加工機(jī)理,一、切削厚度與材料剪切應(yīng)力關(guān)系 在微切削時(shí)，切削往往在晶

8、粒內(nèi)進(jìn)行，切削力一定要超過晶體內(nèi)部的分子、原子結(jié)合力，其單位面積的切削阻力(N／mm2)急劇增大，刀刃上所承受的剪切應(yīng)力變得非常大，從而在單位面積上會(huì)產(chǎn)生很大的熱量，使刀刃尖端局部區(qū)域的溫度極高，因此要求采用耐熱性高、高溫硬度高、耐磨性強(qiáng)、高溫強(qiáng)度好的刀刃材料，即超高硬度材料，最常用的是金剛石等。,13,二、材料缺陷分布的影響 材料微觀缺陷分布或材質(zhì)不均勻性，可以歸納為以下幾種情況：晶格原子(～10-6mm) 在晶格原子空間

9、的破壞就是把原子一個(gè)個(gè)去除。點(diǎn)缺陷(10-6～10-4mm) 點(diǎn)缺陷就是在晶粒結(jié)構(gòu)中存在著空位和填隙原子。點(diǎn)缺陷空間的破壞就是以點(diǎn)缺陷為起點(diǎn)來增加晶格缺陷的破壞。位錯(cuò)缺陷(10-4～10-2mm) 位錯(cuò)缺陷就是晶格位移和微裂紋，它在晶體中呈連續(xù)的線狀分布，故又稱為線缺陷。在晶體內(nèi)部，一般情況下大約1?m左右的間隔內(nèi)就有一個(gè)位錯(cuò)缺陷。晶界、空隙和裂紋(10-2～1mm) 它們的破壞是以缺陷面為基礎(chǔ)的晶粒間破壞。缺口(1mm以

10、上) 缺口空間的破壞是由于拉應(yīng)力集中而引起的破壞。在微切削去除時(shí)，當(dāng)應(yīng)力作用的區(qū)域在某個(gè)缺陷空間范圍內(nèi)，則將以與該區(qū)域相應(yīng)的破壞方式而破壞。各種破壞方式所需的加工能量也是不同的。,14,三、不同微細(xì)加工方法的加工機(jī)理,根據(jù)各種方法的加工機(jī)理的不同，微細(xì)加工可大致分為3大類：分離加工??將材料的某一部分分離出去的加工方式，如切削、分解、刻蝕、濺射等。大致可分為切削加工、磨料加工、特種加工及復(fù)合加工等。結(jié)合加工??同種或不同種材料的附

11、加或相互結(jié)合的加工方式，如蒸鍍、沉積、生長(zhǎng)、滲入等?？煞譃楦街⒆⑷牒徒雍先?。附著是指在材料基體上附加一層材料；注入是指材料表層經(jīng)處理后產(chǎn)生物理、化學(xué)、力學(xué)性能的改變，也可稱之為表面改性；接合則是指焊接、粘接等。變形加工??使材料形狀發(fā)生改變的加工方式，如塑性變形加工、流體變形加工等。,15,8.4 微細(xì)加工方法,一、高能束流微細(xì)特種加工技術(shù) 高能束流加工是利用能量密度很高的電子束、激光束或離子束等去除工件材料的特種加工方

12、法的總稱。 特點(diǎn)與應(yīng)用：屬于非接觸加工，無成形工具，而且?guī)缀蹩梢约庸と魏尾牧?，在精微加工、航空航天、電子、化工等領(lǐng)域中應(yīng)用極廣。 多學(xué)科交叉：其研究?jī)?nèi)容極為豐富，涉及光學(xué)、電學(xué)、熱力學(xué)、冶金學(xué)、金屬物理、流體力學(xué)、材料科學(xué)、真空學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等多種學(xué)科，是一種典型的多學(xué)科交叉技術(shù)。,16,1、電子束微細(xì)加工技術(shù),電子束加工原理1-工件 2-電子束 3-偏轉(zhuǎn)線圈 4-電磁透鏡,電子束加工是在真

13、空條件下，利用聚焦后能量密度極高(106～109W/cm2)的電子束，以極高的速度沖擊到工件表面極小的面積上，在很短的時(shí)間(幾分之一微秒)內(nèi)，其能量的大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使被沖擊部分的工件材料達(dá)到幾千攝氏度以上的高溫，從而引起材料的局部熔化和氣化，被真空系統(tǒng)抽走。,優(yōu)點(diǎn)：1)束徑小、能量密度高。能聚焦到0.1µm，功率密度可達(dá)109W／cm2量級(jí)。2)可加工材料的范圍廣。對(duì)非加工部分的熱影響小，對(duì)脆性、韌性、導(dǎo)體、非導(dǎo)體及半導(dǎo)體

14、材料都可加工。3)加工效率高。每秒鐘可以在2.5mm厚的鋼板上鉆50個(gè)直徑為0.4mm的孔。4)控制性能好。5)電子束加工溫度容易控制。6)污染小。 缺點(diǎn)：必須在真空中進(jìn)行，需要一整套專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格較貴。,17,根據(jù)其功率密度和能量注入時(shí)間的不同，電子束加工可用于打孔、切割、蝕刻、焊接、熱處理和光刻加工等。歸納起來，電子束在微細(xì)加工領(lǐng)域中的應(yīng)用分為兩大類：電子束熱微細(xì)加工和電子束化學(xué)微細(xì)加工。,電子束微細(xì)加工的應(yīng)用,18

15、,應(yīng)用一：電子束熱微細(xì)加工,第一類為電子束熱微細(xì)加工，電子束的能量較大(30keV?幾百keV)，又稱為高能量密度電子束加工，它是利用電子束的熱效應(yīng)，將電子束的動(dòng)能在材料表面轉(zhuǎn)換成熱能而對(duì)材料實(shí)施加工的。,19,電子束打孔,目前電子束打孔的最小直徑已經(jīng)可達(dá)φ0.001mm左右，而且還能進(jìn)行深小孔加工，如孔徑在0.5-0.9mm時(shí)，其最大孔深已超過10mm，即孔的深徑比大于15：1。與其它微孔加工方法相比，電子束的打孔效率極高，通常每秒

16、可加工幾十至幾萬(wàn)個(gè)孔。利用電子束打孔速度快的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)在薄板零件上快速加工高密度孔，這是電子束微細(xì)加工的一個(gè)非常重要的特點(diǎn)。電子束打孔已在航空航天、電子、化纖以及制革等工業(yè)生產(chǎn)中得到實(shí)際應(yīng)用。,,20,,利用電子束在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的原理，使電子束在工件內(nèi)部偏轉(zhuǎn)，還可以利用電子束加工彎孔和曲面。,電子束切割,21,,,,,電子束焊接是利用電子束作為熱源的一種焊接工藝，在焊接不同的金屬和高熔點(diǎn)金屬方面顯示了很大的優(yōu)越性，已成為工業(yè)生產(chǎn)中的重

17、要特種工藝之一。 電子束焊接具有以下的工藝特點(diǎn)：(1)焊接深寬比高。(2)焊接速度高，易于實(shí)現(xiàn)高速自動(dòng)化。(3)熱變形小。 (4)焊縫物理性能好。 (5)工藝適應(yīng)性強(qiáng)。 (6)焊接材料范圍廣。,電子束微細(xì)焊接,22,第二類為電子束化學(xué)微細(xì)加工，電子束的能量較小，一般小于30keV，主要用于大規(guī)模集成電路(LSI)和超大規(guī)模集成電路(VLSI)復(fù)雜圖形的制備以及光刻掩膜圖形的制備。 它利用電子束流的非熱效應(yīng)，功率密度

18、較小的電子束流與電子膠(又稱電子抗蝕劑)相互作用，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，產(chǎn)生輻射化學(xué)或物理效應(yīng)，使電子膠的分子鏈被切斷或重新組合而形成分子量的變化以實(shí)現(xiàn)電子束曝光。包括電子束掃描曝光和電子束投影曝光。 電子束曝光微細(xì)加工技術(shù)，已經(jīng)成為生產(chǎn)集成電路元件的關(guān)鍵性加工手段。,應(yīng)用二：電子束化學(xué)微細(xì)加工,23,,目前微細(xì)加工中采用的曝光技術(shù)主要有電子束曝光技術(shù)、離子束曝光技術(shù)、X射線曝光技術(shù)、準(zhǔn)分子激光曝光技術(shù)等。 其中：

19、離子束曝光技術(shù)具有最高的分辨率； 紫外準(zhǔn)分子激光曝光技術(shù)具有最佳的經(jīng)濟(jì)性； 電子束曝光技術(shù)則代表了最成熟的亞微米級(jí)曝光技術(shù)。,電子束曝光微細(xì)加工技術(shù),24,,電子束曝光主要分為兩類：掃描電子束曝光，又稱電子束線曝光；投影電子束曝光，又稱電子束面曝光。 電子束掃描是將聚焦到小于1µm的電子束斑在大約(0.5?5)mm的范圍內(nèi)按程序掃描，可曝光出任意圖形。掃描電子束曝光除了可以直接描畫亞微米圖形之外

20、，還可以制作掩膜，這是其得以迅速發(fā)展的原因之一。 投影電子束曝光的方法是使電子束先通過原版，再按比例縮小投影到電致抗蝕劑上進(jìn)行大規(guī)模集成電路圖形的曝光。它可以在幾毫米見方的硅片上安排十萬(wàn)個(gè)以上晶體管或類似的元件。投影電子束曝光技術(shù)具有高分辨率和生產(chǎn)效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。,25,,,中科院電工研究所于2000年研制的DY-7電子束光刻機(jī)0.1µm電子束曝光系統(tǒng)制作的“硅表面人工微結(jié)構(gòu)”的PMMA膠圖形，其最小線寬為80n

21、m。,電子束曝光微細(xì)加工技術(shù),26,離子束加工是利用離子束對(duì)材料進(jìn)行成形或表面改性的加工方法，其加工原理和電子束加工基本類似，也是在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速聚焦，使之打到工件表面從而對(duì)工件進(jìn)行加工。 離子束加工與電子束加工的本質(zhì)區(qū)別在于：在離子束微細(xì)加工時(shí)，加速的物質(zhì)是帶正電的離子而不是電子，其質(zhì)量比電子大數(shù)千萬(wàn)倍，如氬離子的質(zhì)量是電子的7.2萬(wàn)倍，因此當(dāng)離子被加速到較高速度時(shí)，離子束比電子束具有更大的撞擊動(dòng)能；其次

22、，電子束加工主要是靠熱效應(yīng)進(jìn)行加工，而離子束加工主要是通過離子撞擊工件材料時(shí)引起的破壞、分離或直接將離子注入加工表面等機(jī)械作用進(jìn)行加工。,2、離子束微細(xì)加工技術(shù),27,離子束加工按照其所利用的物理效應(yīng)相達(dá)到目的的不同，可以分為四類，即利用離子撞擊和濺射效應(yīng)的離子刻蝕、離子濺射沉積和離子鍍，以及利用注入效應(yīng)的離子注入。,,a)離子刻蝕 b)濺射沉積 c)離子鍍 d)離子注入,離子束加工的分類,28,加工精度高

23、，易于精確控制。可加工的材料范圍廣泛。加工表面質(zhì)量高。離子束加工設(shè)備費(fèi)用貴、成本高，加工效率較低。,離子束加工的特點(diǎn),29,目前常用的離子束微細(xì)加工技術(shù)主要有：離子束曝光、刻蝕、鍍膜、注入、退火、打孔、切割、凈化等。 離子束刻蝕：離子束濺射刻蝕、反應(yīng)離子束刻蝕 、等離子體刻蝕 離子濺射鍍膜:離子濺射鍍膜工藝適用于合金膜和化合物膜等的鍍制。 離子鍍:離子鍍是在真空鍍膜和濺射鍍膜的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種鍍膜技

24、術(shù)。 離子注入:離子注入是將工件放在離子注入機(jī)的真空靶中，在幾十至幾百千伏的電壓下，把所需元素的離子直接注入工件表面。 離子束加工裝置與電子束加工裝置類似，主要包括離子源、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分。主要的不同點(diǎn)表現(xiàn)在離子源系統(tǒng)。,離子束微細(xì)加工方法及裝置,30,激光作為一種新型光源，它和普通光源的區(qū)別在于發(fā)光的微觀機(jī)制不同。激光的光發(fā)射則是以受激輻射為主，各個(gè)發(fā)光中心發(fā)出的光波都具有相同的頻率、方向、偏振態(tài)和

25、嚴(yán)格的相位關(guān)系。由于這種基本差別，激光具有強(qiáng)度或亮度高、單色性好、相干性好和方向性好這些突出優(yōu)點(diǎn)。 激光加工主要有以下特點(diǎn):1)加工精度高。2)加工材料范圍廣泛。3)加工性能好。4)加工速度快、熱影響區(qū)小、效率高。,3、激光束微細(xì)加工技術(shù),31,激光束微細(xì)加工技術(shù),32,當(dāng)能量密度極高的激光束照射在加工表面時(shí)，一部分從材料表面反射，一部分透入材料內(nèi)，其光能被吸收，并轉(zhuǎn)換為熱能，是照射區(qū)域的溫度迅速升高、熔化、氣化和熔融濺出

26、而去除材料。 可以說，激光加工的機(jī)理是熱效應(yīng)！,激光加工的機(jī)理,33,1)激光打孔用透鏡將激光能量聚焦到工件表面的微小區(qū)域上，可使物質(zhì)迅速氣化而成微孔。已廣泛應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)的燃料噴嘴加工、化纖噴絲板噴絲孔、鐘表及儀表中的寶石軸承打孔、金剛石拉絲模加工等方面。激光打孔的效率極高，適合于自動(dòng)化連續(xù)加工，加工的孔徑可以小于0.01mm，深徑比可達(dá)50：1以上。,激光加工方法,34,YAG激光加工系統(tǒng)加工的25μm

27、小孔,激光加工方法,35,2)激光切割激光切割的原理與激光打孔基本相同。所不同的是，工件與激光束之間需要相對(duì)移動(dòng)，通過控制二者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)即可切割出不同形狀和尺寸的窄縫與工件。激光切割大都采用重復(fù)頻率較高的脈沖激光器或連續(xù)輸出的激光器。但連續(xù)輸出的激光束會(huì)因熱傳導(dǎo)而使切割效率降低，同時(shí)熱影響層也較深。因此，在精密機(jī)械加工中，一般都采用高重復(fù)頻率的脈沖激光器。YAG激光器輸出的激光已成功地應(yīng)用于半導(dǎo)體劃片，重復(fù)頻率為(5?20)Hz，劃片

28、速度為(10?30)mm／s，寬度為0.06mm，成品率達(dá)99％以上，比金剛石劃片優(yōu)越得多，可將一平方厘米的硅片切割幾十個(gè)集成電路塊或幾百個(gè)晶體管管芯。,36,3)激光焊接激光焊接是將激光束直接照射到材料表面，通過激光與材料相互作用，使材料內(nèi)部局部熔化(這一點(diǎn)與激光打孔、切割時(shí)的蒸發(fā)不同)實(shí)現(xiàn)焊接的。激光焊接可分為脈沖激光焊接和連續(xù)激光焊接等；激光焊接按其熱力學(xué)機(jī)制又可分為激光熱傳導(dǎo)焊接和激光深穿透焊接等。激光焊接與常規(guī)焊接方法相比

29、具有如下特點(diǎn)：(1)可對(duì)高熔點(diǎn)、難熔金屬或兩種不同金屬材料進(jìn)行焊接。(2)聚焦光斑小，加熱速度快，作用時(shí)間短，熱影響區(qū)小，熱變形可以忽略。(3)激光焊接屬于非接觸焊接，無機(jī)械應(yīng)力和機(jī)械變形、能透過透光物質(zhì)對(duì)密封器內(nèi)工件進(jìn)行焊接。(4)激光焊接裝置容易與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，能精確定位，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接。,37,4)激光表面改性利用激光對(duì)材料表面進(jìn)行處理可改變其物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和金相組織，從而改善材料表面的物理、力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)，如硬度、耐磨性、耐疲

30、勞性、耐腐蝕性等，稱為激光表面改性技術(shù)。5)激光存儲(chǔ)利用激光進(jìn)行視頻、音頻、文字材料、計(jì)算機(jī)信息等的存取。,38,激光加工的基本設(shè)備包括激光器、電源、光學(xué)系統(tǒng)及機(jī)械系統(tǒng)等四大部分。激光器 目前常用的激光器按激活介質(zhì)的種類可以分為固體激光器和氣體激光器。用于激光加工的固體激光器通常是摻釹釔鋁石榴石激光器(簡(jiǎn)稱Nd:YAG激光器)、釹玻璃激光器和紅寶石激光器等，氣體激光器通常是CO2激光器和準(zhǔn)分子激光器。,激光加工設(shè)備,3

31、9,1)固體激光器固體激光器一般采用光激勵(lì)，能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)較多。光的激勵(lì)能量大部分轉(zhuǎn)換為熱能，所以效率低。為了避免固體介質(zhì)過熱，固體激光器通常多采用脈沖工作方式，并用合適的冷卻裝置，較少采用連續(xù)工作方式。用于激光熱加工的固體激光器主要有三種，即紅寶石激光器、釹玻璃激光器和Nd:YAG激光器。,,固體激光器結(jié)構(gòu)示意圖l、全反射鏡 2、工作物質(zhì) 3、玻璃套管 4、部分反射鏡 5、聚光鏡 6、氙燈 7、電源,40,2)氣體激光器氣體激光器

32、一般采用電激勵(lì)，因其效率高、壽命長(zhǎng)、連續(xù)輸出功率大，所以廣泛用于切割、焊接，熱處理等加工。常用于材料加工的氣體激光器有二氧化碳激光器、氬離子激光器和準(zhǔn)分子激光器等。二氧化碳激光器連續(xù)輸出功率可達(dá)萬(wàn)瓦，是目前連續(xù)輸出功率最高的氣體激光器。氬離子激光器是惰性氣體氬(Ar)通過氣體放電，使氬原子電離并激發(fā)，實(shí)現(xiàn)離子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生激光，由于氬激光器波長(zhǎng)短，發(fā)散角小，所以可用于精密微細(xì)加工，如用于激光存貯光盤基板蝕刻制造等。 準(zhǔn)分子激光的波長(zhǎng)

33、極短(λ＝193nm) ，聚焦光斑直徑可達(dá)微米級(jí)，光束能量密度可達(dá)(108?1010)W/cm2。與利用熱效應(yīng)的CO2、YAG等激光相比，準(zhǔn)分子激光基本屬于冷光源，從而在微細(xì)加工方面極具發(fā)展?jié)摿Α?41,光刻加工技術(shù),光刻加工又稱光刻蝕加工，是刻蝕加工的一種，該技術(shù)主要是針對(duì)集成電路制作中得到高精度微細(xì)線條所構(gòu)成的高密度微細(xì)復(fù)雜圖形。 光刻加工可以分為兩個(gè)階段，第一階段為原版制作，生成工作原版或工作掩膜；第二階段為光刻過程，兩者

34、統(tǒng)稱為光刻加工。 光刻的基本原理是﹕利用光致抗蝕劑(或稱光刻膠)感光后因光化學(xué)反應(yīng)而形成耐蝕性的特點(diǎn)﹐將掩模板上的圖形刻制到被加工表面上。,42,,電子束光刻大規(guī)模集成電路加工過程,43,8.5 集成電路與印刷電路板制作技術(shù),集成電路一般是按集成度和最小線條寬度來分類，集成度是指在規(guī)定大小的一塊單元芯片上所包含的電子元件數(shù)。 集成電路要求在微小面積的半導(dǎo)體材料商能容納更多的電子元件，以形成功能復(fù)雜而又完善的電路。

35、 電路微細(xì)圖案中的最小線條寬度是提高集成度的關(guān)鍵技術(shù) ，同時(shí)是集成電路水平的一個(gè)標(biāo)志。,44,集成電路中有關(guān)微細(xì)加工方法,1）外延生長(zhǎng) 是在半導(dǎo)體晶片表面沿原來的晶體結(jié)構(gòu)軸方向上生長(zhǎng)一薄層單晶層，以提高晶體管的性能。其常用方法是化學(xué)氣相沉積。2）氧化 是在半導(dǎo)體鏡片表面生成氧化膜，作為絕緣層防止短路和電容的絕緣介質(zhì)，常用的方法是熱氧化法工藝。3）光刻 是在基片表面上涂覆一層光致抗蝕劑，經(jīng)圖形復(fù)印曝光、顯影、刻蝕等處理后，在基片上形成

36、所需精細(xì)圖形。4）選擇擴(kuò)散 基片經(jīng)氧化、光刻處理后，置于惰性氣體或真空中加熱，并于合適的雜質(zhì)接觸，光刻中去除了氧化膜的基片表面受雜質(zhì)擴(kuò)散，形成擴(kuò)散層，稱之為選擇擴(kuò)散。擴(kuò)散層深度一般為1~3um。5）真空鍍膜 是在真空容器中加熱導(dǎo)電性能良好的金屬，使之成為蒸氣原子而飛濺到基片表面，沉積形成一薄層金屬膜，從而解決集成電路中的布線和引線制作。,45,印刷電路板是用一塊板上的電路來連接芯片、電器元件和其他設(shè)備的，其上的電路最早采用篩網(wǎng)印制技

37、術(shù)來實(shí)現(xiàn)，因而稱作印刷電路板。 三種普通的印刷線路板：1）單面印制線路板2）雙面印制線路板3）多層印制線路板,印刷電路板制作技術(shù),46,微細(xì)加工的實(shí)例,中國(guó)科學(xué)家研制的微型步進(jìn)電機(jī)的掃描電鏡照片,47,,微細(xì)加工的產(chǎn)品,48,,微細(xì)加工的產(chǎn)品-超大規(guī)模集成電路的制備,49,,微細(xì)加工的產(chǎn)品-微電機(jī)系統(tǒng) (MEMS) 的制備,50,,微細(xì)加工的產(chǎn)品-微電機(jī)系統(tǒng) (MEMS)在航空航天中的應(yīng)用,航空：改進(jìn)飛機(jī)性能、保證飛機(jī)安全

38、舒適、減少躁聲。航天：天際信息網(wǎng)、微重力測(cè)量,51,,微細(xì)加工的產(chǎn)品-微電機(jī)系統(tǒng) (MEMS)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用,52,,微細(xì)加工的產(chǎn)品-微電機(jī)系統(tǒng) (MEMS)在人體醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用,53,生物芯片Lab on Chip血壓計(jì)新型噴霧器可在血管內(nèi)操作和檢測(cè)的微型儀器,54,噴霧給藥中的微噴嘴,55,8.6 微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展與趨勢(shì),加工方法的多樣化加工材料單純的硅向各種類型的材料發(fā)展提高微細(xì)加工的經(jīng)濟(jì)性加快微細(xì)加工的機(jī)理研

39、究,56,微型彈簧,57,撲翼式微飛行器,58,微型機(jī)器人,59,微型機(jī)器人,60,8.7 納米技術(shù)概述,一、納米的概念 納米”是英文nanometer的譯名（希臘語(yǔ)“矮小”），是一種度量單位，1納米為百萬(wàn)分之一毫米，即1毫微米，也就是十億分之一米，約相當(dāng)于45個(gè)原子串起來那么長(zhǎng)，是氫原子直徑的10倍，萬(wàn)分之一頭發(fā)粗細(xì)。 納米結(jié)構(gòu)通常是指尺寸在100納米以下的微小結(jié)構(gòu)。 納米研究的范圍是1

40、到100納米，0.1納米是單個(gè)氫原子的尺寸，因此所謂0.1納米層面的“納米技術(shù)”是不存在的。,61,How small is 1 nanometer?,Human Hair,一納米有多??？,62,Understanding Size,10 centimeters,1 centimeter,63,100 micrometers,10 micrometers,64,1 micrometer,100 nanometers,65,10 nano

41、meters,1 nanometer,66,二、納米技術(shù)的誕生與發(fā)展,1959年，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼預(yù)言，人類可以用小的機(jī)器制作更小的機(jī)器，最后將變成根據(jù)人類意愿，逐個(gè)地排列原子，制造“產(chǎn)品”，這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢(mèng)想。 七十年代，科學(xué)家開始從不同角度提出有關(guān)納米科技的構(gòu)想。,用掃描隧道顯微鏡的針尖將原子一個(gè)個(gè)地排列成漢字，漢字的大小只有幾個(gè)納米。,67,1974年，科學(xué)家唐尼古奇最早使用納米技術(shù)一詞描

42、述精密機(jī)械加工。 1982年，科學(xué)家賓尼西、羅雷爾發(fā)明研究納米的重要工具—掃描隧道顯微鏡，使人類首次在大氣和常溫下看見原子，為我們揭示一個(gè)可見的原子、分子世界，對(duì)納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進(jìn)作用。 1990年7月，第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生。,68,CSTM——9000型掃描隧道顯微鏡,69,1991年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的10倍成為納米技術(shù)研

43、究的熱點(diǎn)。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主斯莫利教授認(rèn)為，納米碳管將是未來最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導(dǎo)線、超微開關(guān)以及納米級(jí)電子線路等。,70,1993年，繼1989年美國(guó)斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán)“寫”下斯坦福大學(xué)英文名字； 1990年美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司在鎳表面用36個(gè)氙原子排出“IBM”之后，中國(guó)科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室自如地操縱原子成功寫出“中國(guó)”二字，標(biāo)志著我國(guó)開始在國(guó)際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。,71,1997年，美國(guó)科學(xué)家首次成功

44、地用單電子移動(dòng)單電子，利用這種技術(shù)可望在20年后研制成功速度和存貯容量比現(xiàn)在提高成千上萬(wàn)倍的量子計(jì)算機(jī)。 1999年，巴西和美國(guó)科學(xué)家在進(jìn)行納米碳管實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)明了世界上最小的 “秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當(dāng)于—個(gè)病毒的重量；此后不久，德國(guó)科學(xué)家研制出能稱量單個(gè)原子重量的秤，打破了美國(guó)和巴西科學(xué)家聯(lián)合創(chuàng)造的紀(jì)錄。 2000年4月，美國(guó)能源部桑地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用激光微細(xì)加工技術(shù)研制出智能手術(shù)刀，該手術(shù)刀可以每秒掃描10萬(wàn)個(gè)

45、癌細(xì)胞，并將細(xì)胞所包含的蛋白質(zhì)信息輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析判斷。2001年紐約斯隆-凱特林癌癥研究中心的戴維. 沙因貝格爾博士報(bào)道了把放射性同位素錒-225的一些原子裝入一個(gè)形狀像圓環(huán)的微型藥丸中，制造了一種消滅癌細(xì)胞的靶向藥物。這些研究表明納米技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的進(jìn)展是十分迅速的。,72,到1999年，納米技術(shù)逐步走向市場(chǎng)，全年納米產(chǎn)品的營(yíng)業(yè)額達(dá)到500億美元。 近年來，一些國(guó)家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略或者計(jì)劃，投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地。日本

46、設(shè)立納米材料研究中心，把納米技術(shù)列入新5年科技基本計(jì)劃的研發(fā)重點(diǎn)；德國(guó)專門建立納米技術(shù)研究網(wǎng)；美國(guó)將納米計(jì)劃視為下一次工業(yè)革命的核心，美國(guó)政府部門將納米科技基礎(chǔ)研究方面的投資從1997年的1.16億美元增加到2001年的4.97億美元。,73,8.8 納米技術(shù)的應(yīng)用,74,目前，在納米領(lǐng)域，美國(guó)、日本、德國(guó)的技術(shù)處于領(lǐng)先地位。我國(guó)緊跟其后，處于第二階梯的前列。其中，納米碳管技術(shù)處于世界一流水平，比如大面積定向碳管的合成、超長(zhǎng)納米碳管

47、的制備等。,75,76,用納米碳管建成的地月載人電梯構(gòu)想圖,77,1998年，美國(guó)首次研制出由磁性納米棒組成的“量子磁盤”，每平方英寸可儲(chǔ)存20萬(wàn)部紅樓夢(mèng)。,78,1999年，100 nm的芯片又在美國(guó)誕生了。整個(gè)美國(guó)國(guó)會(huì)圖書館的藏書都能儲(chǔ)存在一個(gè)糖塊大小的芯片中。,汽車尾氣,含鉛汽油中的鉛很容易通過血液長(zhǎng)期蓄積于人的肝、腎、脾、肺和大腦中，從而導(dǎo)致人的智能發(fā)育障礙和血色素制造障礙等后果。,,汽車尾氣的處理：加入納米級(jí)的復(fù)合稀土氧化物后

48、，對(duì)尾氣的凈化特別明顯，尾氣中的CO、NOx幾乎完全轉(zhuǎn)化。,79,拯救水資源,特種半導(dǎo)體納米材料使海水淡化；納米TiO2可以用來降解有機(jī)磷，降解毛紡染整廢水，降解石油 ……,80,納米碳管,81,碳納米管是直徑非常細(xì)的中空管狀納米材料，它能夠大量地吸附氫氣，成為許多個(gè)“納米鋼瓶” 。研究表明，約2/3的氫氣能夠在常溫常壓下從碳納米管中釋放出來。據(jù)預(yù)測(cè)，到2010年，就可以生產(chǎn)出氫氣汽車，只需攜帶1.5升左右的儲(chǔ)氫納米碳管，即可行駛

49、500km。,82,納米清潔工,83,科學(xué)家設(shè)想制造出負(fù)責(zé)清掃血管的納米機(jī)器人（清潔工），專門負(fù)責(zé)清掃血管壁上的膽固醇、凝血等沉積物，以預(yù)防腦血栓等心血管病；同時(shí)也可以制作出清掃體內(nèi)癌細(xì)胞的機(jī)器人。,納米泵人造紅細(xì)胞,84,它比體內(nèi)血液中的紅細(xì)胞要多攜帶200多倍的氧氣。,血液形態(tài)圖,納米藥包,諾貝爾獎(jiǎng)得主斯莫利的預(yù)言 ；美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員正在研究一種只有20nm的藥物炸彈和包含了1000個(gè)納米藥包的微型芯片；在固定的DNA

50、鏈上連接上殺癌的藥物膠囊，放到病人血液和組織內(nèi)，一遇上癌細(xì)胞的DNA時(shí)，DNA鏈就與癌細(xì)胞的DNA結(jié)合，這時(shí)藥物開關(guān)受觸發(fā)而開放，藥物便釋放出來，殺滅癌細(xì)胞；,85,86,納米技術(shù)與基因療法的結(jié)合,87,瑞典科學(xué)家制作的微型醫(yī)用機(jī)器人，可移動(dòng)并撿起肉眼看不見的玻璃珠。用這種微型機(jī)器手將果蠅的染色體基因進(jìn)行信號(hào)移動(dòng)，培育出的果蠅多長(zhǎng)了一個(gè)胸脯和翅膀，甚至把果蠅的眼睛和翅膀挪位；,果蠅：遺傳學(xué)和分子發(fā)育生物學(xué)的國(guó)王圖中左側(cè)為雌性，右側(cè)為

51、雄性,“納米碳管”異想天開之應(yīng)用,88,堅(jiān)韌的碳纖維，其密度是鋼的1/6，強(qiáng)度為鋼的10—100倍，重量則只有鋼的1/4。,將納米碳管做成太空升降機(jī)的纜繩，由于它的強(qiáng)度高、重量輕，即使是從太空下垂到地面，它也完全可以承受自身的重量而不會(huì)斷開，它是目前唯一可作為太空云梯的理想材料。,太空電梯,載衛(wèi)星、載人、貨物運(yùn)輸,70—100億美元,7.5天,7.5天,89,走進(jìn)你家里,納米TiO2：在光照條件下，會(huì)產(chǎn)生具有非常強(qiáng)的氧化能力的空穴，從而

52、將附在表面上的有機(jī)物、細(xì)菌及其它灰塵分解掉，直至生成CO2和H2O。殺菌、除味：由于納米ZnO具有大的比表面積，可以很快地吸收并分解臭氣，同時(shí)還能有效地殺菌。對(duì)黃色葡萄球菌和大腸桿菌的殺菌率高達(dá)95%以上。,90,91,納米服裝二個(gè)月不用洗——信不信由你,92,軍事方面的應(yīng)用,93,吸波：納米ZnO對(duì)雷達(dá)電磁波具有很強(qiáng)的吸收能力，所以可以做隱形飛機(jī)的重要涂料。,防 彈 衣,因納米碳管既輕又強(qiáng)度極高，是鋼的10—100倍，用它來作防彈