精微制造技术

《精微制造技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《精微制造技术（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、纳米技术的发展及应用摘要：纳米技术是当今国际上的一个热点，其涉及的知识体系相当丰富，应用 的范围也是很广，给我们的技术发展带来了微小尺度的支持。本文首先介绍了纳 米技术的历史发展进程，然后介绍了其技术特征，最后介绍了纳米技术涉及的两 个重要技术：纳米加工技术和纳米测量技术。最后总结我国的纳米技术发展现状。 关键字：纳米技术 纳米加工 纳米测量1 纳米技术历史背景在20世纪90年代的科技报刊上，经常出现“纳米材料”和“纳米技术” 这 种名词。什么是纳米材料呢？通俗一点说，就是用尺寸只有几个纳米的极微小的 颗粒组成的材料。1纳米为10亿分之一米，用肉眼根本看不见。但用纳米颗粒组 成的材料却具有许多

2、特异性能。因此，科学家又把它们称为“超微粒”材料和“21 世纪新材料”。而纳米材料并非完全是最近才出现的。最原始的纳米材料在我国 公元前12世纪就出现了，那就是中国的文房四宝之墨，墨中的重要成分是烟。 实际上，烟是由许多超微粒炭黑形成的，而制造烟和墨的过程中就包含了所谓的 纳米技术。1984年，一位德国科学家格莱特（Gleiter）把一些极其细微的肉眼看不见的 金属粉末用一种特殊的方法压制成一个小金属块，并对这个小金属块的内部结构 和性能做了详细的研究。结果发现这种金属竟然呈现出许多不可思议的特异的金 属性能和内部结构。他制出的这种材料的特殊性在于，一般的物理概念认为晶体 的有序排列为物质的主

3、体, 而其中的缺陷、杂质是次要的，要尽力除去。格莱特 把物质碾成极小微粒再组合起来，实际上是把界面上的缺陷作为物质的主体，由 微小颗粒压制而成的金属块是一种双组元材料，有晶态组元和界面组元，界面组 元占50%，在晶态组元中原子仍然为原来的有序排列，而在界面组元中，界面存 在大量缺陷，原子的排列顺序发生变化，当把双组元材料制到纳米级时，这种特 殊结构的质就构成了纳米材料，由此开始了对纳米材料及纳米科学技术的研究。1987年，德国和美国同时报道制备成功二氧化钛纳米陶瓷（颗粒大小为 12 纳米），这种陶瓷比单晶体和粗晶体的二氧化钛陶瓷的变形性能和韧性好得多。 例如，纳米陶瓷在180C下能经受弯曲变形

4、而不产生裂纹，纳米陶瓷零件即使开 始时带有裂纹，在经受一定程度的弯曲变形后，裂纹也不会扩大。1989年，美国 商用机器公司（IBM）的科学家用80年代才发明的扫描隧道显微镜移动氙原子， 用它们拼成IBM三个字母，接着又用48个铁原子排列组成了汉字“原子”。1990 年，首届纳米科学技术大会在美国成功举行，标志着一个把微观基础理论与当代 高科技紧密结合的新型学科一纳米科学技术正式诞生了。1991年，IBM的科学家 制成了速度达每秒200亿次的氙原子开关。1996年，IBM设在苏黎世的研究所又 研制出世界上最小的“ 算盘”，这种“算盘”的算珠只有纳米级大小, 由著名的 “碳”巴基球C60制成。2

5、纳米技术的特征纳米技术是在1-100纳米尺度空间内, 研究原子和分子的运动规律、特性和 应用，也就是说纳米技术在不改变材料化学成分的前提下，通过直接操纵和安排 原子、分子而创造新的物质。使人类利用纳米的性质按照自己的意志制造出具有 特定功能的产品。这表明人类改造自然的能力已延伸到原子、分子的层次。任何物质的颗粒的大小达到纳米级时都会产生表面效应、小尺寸效应和量子 效应。这就使纳米材料具有许多优异的性质。同时许多宏观尺度上有效的规律、 定理、方式、方法，在纳米世界都将不再适用，纳米技术使世界的面目焕然一新。 例如，纳米铁的强度极限应力比常规铁材料高12倍、硬度高23个数量级，纳米 铜的热扩散系数

6、比一般铜材料提高将进一倍，纳米氧化物和纳米氯化物在低频下 介电系数可以增大几倍，本来是导体的金属当尺寸减小到纳米级时就变成非金 属， 而共价键绝缘体当尺寸减小到几纳米或几十纳米时电阻迅速下降，绝缘性 能遭到破坏。总之，各种物质尺寸达到纳米级时性能都发生很大的变化。图1、纳米技术产品归纳起来纳米技术具有如下特征：尺度在1纳米到100纳米之间；实施的 是微观的操作和控制，即是对分子和原子的控制；新产品的性能优异。纳米技 术填补了自然界的宏观与微观之间连接区域里知识的空白，加大了人类认识自然 和改造自然的深度，目前纳米技术已经形成了一个包括纳米物理学、纳米电子学、 纳米材料学、纳米机械学、纳米显微学

7、、纳米计量学等多学科群体。3 纳米加工技术纳米级加工是将待加工器件表面的一个个原子或分子作为直接的加工对象， 因而，纳米级加工的物理实质就是要切断原子或分子间的结合，实现原子或分子 的去除或增添。而各种物质是以共价键、金属键、离子键等形式结合而成，要切 断原子间的结合需要很大的能量密度，传统的加工方法已不实用。纳米加工及制 造的最终目标是各种新颖纳米功能器件的开发，其发展为各种新颖电子学、光学、 磁学、力学的纳米功能器件的开发提供了广阔的前景。随着纳米加工技术的发展, 现已出现了多种纳米加工技术。3.1 基于传统半导体加工的纳米加工技术随着集成电路技术的飞速发展，作为衡量半导体工业水平的特征尺

8、寸已经达 到纳米量级。在这一发展过程中，遇到很多技术难题，其中如何采用合适的光刻 技术得到纳米级的特征尺寸是半导体加工面临的最关键的一个问题，为此人们开 发了很多新的基于传统半导体加工的纳米加工技术。3.1.1 电子束光刻电子束光刻具有极高的分辨率 ,甚至可以达到原子量级,由电子束曝光制作 的最小尺寸可以达到10-20 nm。电子束光刻由于是无掩膜直写型的，因此具有一 定的灵活性,可直接制作各种图形。但电子束是扫描成像型的,它的生产率极低, 还远未达到光学光刻所能达到的40-100 片/小时的生产率，很难适用于大规模批 量生产。3.1.2 X射线光刻X射线光刻用X射线曝光，波长很短，所以可获得

9、极高的分辨率。X射线光刻的 焦深容易控制，对于0.13u m的光刻分辨率，其焦深也可达7m。X射线曝光的视 场远远大于光学光刻，可达50mmX50mm以上，而且可方便地应用单层工艺，工艺 简单。因此，X射线光刻是未来替代光学光刻的首选技术。但X射线光刻也有一些 关键技术问题尚需解决，如X射线同步辐射装置的产生、X射线聚焦和掩膜制作 等。基于X射线光刻发展起来的光刻、电镀成形及脱膜（LIGA）技术是从半导体光 刻工艺中派生出来的一种加工技术。其机理是由深度同步辐射X射线光刻、电铸 成型、塑铸成型等技术组合而成的复合微细加工新技术。利用LIGA技术可以制 造出各种金属、塑料和陶瓷零件组成的三维微机

10、电系统，并且得到的器件结构具 有很高的深宽比（可达500:1）、结构精细、侧壁垂直、表面光滑等特点，这些都 是其它微加工难以达到的。3.1.3 极紫外光刻极紫外光刻技术（EUVL）是有望突破特征尺寸达到100nm以下的新光刻技术之 一。其原理是：用波长范围为11-14 nm 的光，经过周期性多层膜反射镜照射到 反射掩膜上，反射出的EU V光再经过投影系统，将掩膜图形形成在硅片的光刻胶 上。3.1.4 原子光刻 原子光刻其基本原理是利用激光梯度场对原子的作用力，改变原子束流在传播过程中的密度分布，使原子按一定规律沉积在基底上（或使基底上的特殊膜层 “曝光”），在基板上形成纳米级的条纹、点阵或人们

11、所需的特定图案。由于热 原子束中原子的德布罗意波长约为0.1nm量级，其衍射极限比常规光刻中所用紫 外光的衍射极限小得多。因此，原子光刻技术在纳米器件加工、纳米材料制作等 领域具有重要的应用前景。3.1.5 纳米掩膜刻蚀加工技术 纳米掩膜刻蚀加工技术基本原理：将具有纳米结构的材料有序排布成所需的阵列，通过转移技术转移到基片表面；利用有序排布的纳米结构做掩膜，结合反 应离子刻蚀（RIE）等工艺定义所需的纳米图形。形成纳米结构图形的关键在于 构建稳定的纳米阵列掩膜，并将其规则有序地转移到基底表面。通常在各种材料 的基底上，可以利用自组装单分子膜作为偶联层，构筑具有纳米粒子 /偶联层/ 基底形式的纳

12、米复合结构（图2） 。这种纳米结构加工方法操作简单，成本低， 所得到的纳米结构在高密度信息存储、纳米电子、纳米光子、纳米生物器件中具 有广泛的应用前景。哈佛大学的Whang，D.Jin, S.等人利用LB技术将二氧化硅-硅壳/核纳米线紧 密地规则排布在基底上，利用RIE工艺将壳层二氧化硅刻蚀掉，形成纳米硅线的 掩膜，然后沉积金属或其它材料，去除掉硅纳米线后在整个基底上即得到平行的 纳米线，可作为下一步工艺的掩膜。德国 Wenhui Ma 教授用纳米圆球光刻nanosphere lithography, NSL）以及由其衍生的技术，结合脉冲激光沉积 （pulsed laser depositio

13、n, PLD）成功地制备出非常好的规则排列的金字塔形 纳米结构阵列。磁性材料铁、镍、钻等在RIE工艺下形成非挥发性的产物，不易于刻蚀形成 图形，为了把模板图案转移到磁性薄膜层上，可采用多层结构。利用有机聚合物 形成纳米图形，并结合反应离子刻蚀（RIE）和离子束刻蚀（Ion Beam Etching, IBE）。如图3所示，在钻层上沉积一层钨，然后再沉积二氧化硅和聚苯乙烯-b- 聚茂铁二甲基硅烷。利用添加氧气的RIE对PS和PFS不同的刻蚀速率，得到纳米量 级的掩膜，由含F化物RIE反应刻蚀二氧化硅、钨，清洗掉二氧化硅和掩膜层，紧 接着利用定义的钨膜做掩膜用离子束刻蚀钻，从而得到磁性纳米结构。图

14、2金纳米粒子规则排布做掩膜RIE简图3.2 探针直接书写式纳米加工技术3.2.1 基于扫描探针显微镜的纳米加工技术基于SP M的纳米加工技术，其原理是通过显微镜的探针与样品表面原子相互 作用来操纵试件表面的单个原子，实现单个原子和分子的搬迁、去除、增添和原 子排列重组，即原子级的精加工。目前，用于纳米加工的SPM主要是指AFM和STM 两种显微镜，AFM主要利用探针与样品间的机械力进行纳米图形加工，STM主要是 利用探针与导电样品间施加电场力、磁场力等产生量子隧道效应，进行纳米图形 加工。与STM的加工对象相比，AFM应用的对象范围要更为广泛，但是其分辨率较 低，一般为几十个纳米至亚微米。ST

15、M分辨率高，但STM的加工对象仅仅局限于导 电性良好的金属和半导体表面，对于绝缘体则无能为力。3.2.2 蘸笔纳米印刷术美国西北大学的Mirkin研究小组开发的蘸笔纳米印刷术（DPN），用AFM的针尖作 “笔”，固态基底作“纸”，与基底有化学作用力的分子作“墨水”，分子通过(a) PFSPSS1(Z i匚厂十OzRIEO2RIEIon Beam EtchingAshingCHFaRlE图3 纳米磁性材料的刻蚀 凝结在针尖与基底间的水滴的毛细作用直接“书写”到基底表面，表面张力将分 子从针尖传送到基体上直接操纵形成图案，其原理图如图4所示。水滴在覆有十 八硫醇（ODT）的针尖和金基底之间形成，其

16、大小由相对湿度控制，凝结水滴存 在于针尖和样品之间是形成纳米级甚至皮米级图象分辨率的主要原因DPN是一 种简单方便地从AFM针尖到基底传输分子的方法，其分辨率可与电子束刻蚀等方 法相媲美，对纳米器件的功能化更为有用。一/刻写方fj屯壬（二上 * / / / 7 via金皐体AFMVI 尖水膜分子代输图4 DPN原理图到目前为止，研究人员已经用DPN方法给出了几纳米宽的线条。虽然DPN的速 度比较慢，但能够用多种不同的分子作为“墨水”，使纳米尺度上的印刷具有很 大的化学灵活性。Mirkin设想利用此法来精确地修改电路设计，且于不久前用此法直接在硅和砷化镓两种半导体材料上构筑了有机分子图案。Amro等人结合DPN 技术开发了一种新型读写器（nanopen reader and writer, NPRW）制造纳米结 构。NP