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1、机电工程学院 2010 级机械设计制作及自动化专业 课程论文 关于微细和纳米加工技术的综述 蒋彦龙 （德州学院机电工程学院，山东德州）摘要：本文通过对微细和纳米加工的概念，特点，微细纳米加工技术在机械领域的应用及其在国内国外的发展情况，以及微细加工的部分工艺的描述，使我们对微细加工又一个新的认识，纳米加工的关键技术及其在微型机械和微型机电系统的应用。并且认识和了解我们国家在微细加工技术上的长处和不足，促进我们国家微细加工型业的发展。关键词：微细加工技术；纳米材料；纳米加工技术；微型机械；发展与趋势、现状一、引言： 进入21世纪以来，就制造业来说，涌现了各种各样的先进制造技术，极大地丰富了人们的
2、生产和生活方式。当然制造业面临全球化的挑战，需求也日益多样化，在生物、医学、航天航空、通信等领域开始对机械装置进行微型化来满足日益增长的要求。随着科技的发展，人们在不断追求机械装置的微型化，希望尽可能小的能耗，纳米机械将始终是科技发展的方向之一。20世纪后半叶，随着大规模集成电路技术和微型制造技术的发展，在计算机和信息技术以及其他许多领域引发了一场微型化革命。此后，作为研究微型机械工作原理和设计理论与方法的纳米机械学得到迅速发展并成为机械科学技术中的前沿领域。所以我们有理由有必要加快这一领域的发展和开发进程。本文对微细纳米加工技术的发展历程、当今的应用以及未来的发展方向展开论述。二、微细加工技
3、术 2.1、微细加工技术的概念和特点 微细加工技术是指加工微小尺寸零件的生产加工技术。从广义的角度来讲，微细加工包括各种传统精密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的方法，如切削技术，磨料加工技术，电火花加工，电解加工，化学加工，超声波加工，微波加工，等离子体加工，外延生产，激光加工，电子束加工，粒子束加工，光刻加工，电铸加工等。从狭义的角度来讲，微细加工主要是指半导体集成电路制造技术，因为微细加工和超微细加工是在半导体集成电路制造技术的基础上发展的，特别是大规模集成电路和计算机技术的技术基础，是信息时代微电子时代，光电子时代的关键技术之一。微机械的微细加工技术有以下特点：(1)从加工对象上看
4、，微细加工不但加工尺度极小，而且被加工对象的整体尺寸也很微小；(2) 由于微机械对象的微小性和脆弱性，仅仅依靠控制和重复宏观的加工相对运动轨迹达到加工目的，已经很不现实。必须针对不同对象和加工要求，具体考虑不同的加工方法和手段；(3) 微细加工在加工目的、加工设备、制造环境、材料选择与处理、测量方法和仪器等方面都有其特殊要求。（4）加工机理与一般加工相比，存在很大差异。由于加工单位的急剧减小，此时必须考虑晶粒在加工中的作用。假定把软钢材料毛坯切削成一根直径为0.1mm、精度为0.01mm的轴类零件。实际加工中，对于给定的要求，车刀至多只允许能产生0.01mm切屑的吃刀深度；而且在对上述零件进行
5、最后精车时，吃刀深度要更小。2.2、微细加工工艺2.2.1集成电路工艺 2000年以来，电子信息取代石油、钢铁等传统产业，成为全球第一大产业。发达国家经济增长的65%与集成电路相关。2001年世界集成电路市场份额，美国约占40%，日本25%，韩国12%，中国仅为2.1%。目前我国已有五、六十条芯片生产线，到2010年，IC领域上我国要占世界市场份额的5%以上。作为信息产业基础的集成电路，是21世纪国家生存与发展的物质与技术基础。正因为如此，世界主要国家都十分重视集成电路产业的发展，纷纷制定面向21世纪的集成电路发展规划，整合国内科技资源，成立国际科技合作组织，抢占制高点，以掌握未来信息技术的核
6、心主动权。IC所用的材料主要是硅、锗和砷化镓等，全90%以上IC都采用硅片。制造IC的硅片，不仅要求具有极高的平面度和极小的表面粗糙度，而且要求表面无变质层、无划伤。单晶硅片的超精密加工（包括超精密磨削、研磨和抛光）工艺和设备在IC制造过程中具有重要作用，是IC制造的关键技术。主要分为以下几个步骤：（1）单晶生长（2）氧化 （3）光刻 （4）硅片测试（5）包括封装和芯片测试2.2.2薄膜成形技术薄膜材料种类很多，根据不同使用目的可以是金属，半导体硅、锗、绝缘体玻璃，陶瓷等。从导电性考虑，可以是金属、半导体、绝缘体或超导体；从结构考虑，可以是单晶、多晶、非晶或超晶格材料；从化学组成来考虑可以是单
7、质、化合物或无机材料、有机材料等。化学气相沉积是在容器中通以气相的、用以构成薄膜材料化学物质，使其在加热的基片表面进行高温化学反应，从而在基片上形成薄膜的技术。离子镀膜：将一定能量的离子束轰击某种材料制成的靶，离子将靶材粒子击出，使其镀覆到靶材附近的工件表面上。离子镀膜层的附着力强，镀层组织紧密。可镀各种金属、非金属、化合物、半导体。2.2.3 光刻工艺 由于电子质量极轻，在感光胶中的散射范围很大，这些散射电子会影响邻近电路图形的曝光质量，因而邻近效应很难控制。为了提高生产率和减小邻近效应，目前正在广泛研究限定角度投影电子束光刻技术。电子束光刻的主要缺点在于产出量，加工过程较慢，不能用于制造大
8、多数集成电路。 离子束曝光技术具有一些电子束无法比拟的优点，与电子相比，最轻的离子也要比电子重近2000倍。因此离子在感光胶中散射范围极小，邻近效应几乎为零。此外，由于离子质量重，在同样的能量下，感光胶对离子的灵敏度要比对电子高数百倍。2.3、微加工技术及微机械的特性 尺寸效应是微机械系统中许多性能不同于宏观传统机械系统的重要原因，微机械系统具有的主要特性是：1）由于尺寸很小，重力的影响被表面力所取代2）材料强度增加3）表面零件的强度变化4）制作精度降低5）机电一体化系统 微机械由于尺寸的减小，其尺寸效应使微机械显现出许多新的特性，使得制造和装配都非常困难，原有的机械加工方法远远不能满足需要，
9、因此，像激光束、电子束、化学腐蚀等加工方法是常用的方法。1材料目前最常用的结构材料是硅，一方面是因为硅具有优良的力学性能和电性能，另一方面是硅的加工工艺和手段比较完善。除了硅材料外其他半导体材料、石英、玻璃、陶瓷、金属薄膜等材料也可作为微型机械结构材料。2腐蚀法这种工艺方法从硅衬底材料上有选择地出去大量材料，从而形成所需要的模片、沟、槽等结构。同时又分为采用液相腐蚀的事发腐蚀和采用气相和等离子态腐蚀的干法腐蚀。3表面淀积法利用硅片表面薄膜的淀积法获得机械结构4MEMS封装技术相比成熟的集成电路的封装技术，MEMS封装技术含有各种微机械结构，并需要与电信号以外的其他物理量相互作用，因为更复杂，并
10、能大大降低封装成本。5CAD技术 对微型机械来说，CAD技术可以优化微型机械的结构和工艺，缩短设计周期，有助于发现处理微小范围内的力、热、电磁等能量之间的相互作用。 6微型机械测试技术 测试技术是微型机械加工技术的重要组成部分，因为微型结构以及整个微型机械系统的各项参数的获得，是保证加工质量、研究加工规律的基础。 7微型机械装配技术 由于微型机械器件尺寸小、重量轻、要求精度高，一般传统机械的装配技术不适用于微型机械的装配，需要研究采用特殊的装配技术和系统。目前主要是主从装配系统、自动化装配系统和使用微机械手装配。三、纳米加工技术纳米技术是一门在0.1100 nm的尺度空间内研究电子、原子和分子
11、等的结构特性、运动规律和相互作用的崭新学科，它是现代物理(介观物理、量子力学、混浊物理)和先进技术(微电子、计算机、扫描隧道显微技术)相结合的产物，并由此派生出一系列的新兴学科。 纳米是英文nano的译名，是一种长度单位，原称毫微米，就是10的-9次方米（10亿分之一米）。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。纳米科技是在20世纪80年代末90年代初逐步发展起来的前沿性、交叉性新兴学科领域。“纳米技术”已经成为当今世界的标志性词组之一，纳米技术几乎已经深入到当代社会生活的所有领域。3.1纳米技术包含下列四个主要方面（1）纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1100纳米这个范围
12、空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。这一特性，主要用于制造微特电机。如果将技术发展到一定的时候，用于制造磁悬浮，可以制造出速度更快、更稳定、更节约能源的高速度列车。（2） 纳米动力学，主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统（MEMS),用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等.用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小，刻蚀的深度往往要求数十至数百微米，而宽度误差很小。这
13、种工艺还可用于制作三相电动机，用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。理论上讲：可以使微电机和检测技术达到纳米数量级。（3）纳米生物学和纳米药物学，如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，dna的精细结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水；但如粒子为纳米尺度（即超微粒子），则可溶于水。（4） 纳米电子学，包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电子材料的表征
14、，以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷,更小,是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。但是更小并非没有限度。 纳米技术是建设者的最后疆界，它的影响将是巨大的。）3.2 扫描探针显微镜( SPM）及其在纳米加工中的应用纳米加工技术进入实用阶段出现在80年代以后。80年代初，IBM公司瑞士苏黎士研究所的物理学家发明了扫描隧道显微镜STM，这项成就使他们在1986年获得了诺贝尔奖。作为继光学显微镜和电子显微镜之后的第三代显微镜，它以迄今最高的原子级分辨率为我们揭开了一个不但“可见”，而且“可及”的原子和分子世界。因为到80年代末，STM已不仅仅是一个观察手
15、段，而且成为借助于隧道电流效应可对原于进行迁移、排布的工具。（1）用SPM的探针直接进行雕刻加工在生产中加工超大规模集成电路时用的电子束光刻加工，最小线宽为0. 09m。受到电子束聚焦的限制，加工最小线宽要小于0. 1m 就有较大难度。 使用AFM 导电探针，控制探针和试件间的偏压，由于针尖端极尖锐可以将针尖处的电子束聚焦到极细，再采用常规的光刻工艺，使试件表面光刻胶局部感光，将未感光的光刻胶去除，再进行化学腐蚀，即可获得极精微的光刻图形，（2）用多针尖的SPM进行加工用SPM 进行纳米级加工，不仅效率低，而且最大加工尺寸受到最大扫描距离的限制。最近国外采用多针尖的SPM ，不仅可以进行形貌检测， 也可以用于纳米级加工。 由于各针尖的微悬臂上都带有Si 压敏电阻偏转传感器和压电扫描器，故各针尖可以互不干扰地独立工作。相当于几台SPM 同时在工作，故不仅成倍地提高了工作效率，同时使最大加工尺寸也成倍地加大。3.3 纳米技术及其在机械工业中的应用（1）纳米技术在微机械领域中的应用：随着纳米技术应用途径的不断拓宽微机械的开发在全世界方兴未艾。例如进入人体的医疗机械和管道自动检测装置所需的微型齿轮、电机、传感器和控制电路等。制造这些具有特定功能的纳米产品。其技术路线可分
