微纳米制造技术摩擦学研究

1摘要评述了国内外航天、信息和军事等高技术领域中微纳米制造技术的研究现状和发展趋势，介绍了微纳米制造技术特征及其关键技术问题，揭示了当器件的尺度由毫米量级减小到微米甚至纳米量级时，微器件材料表面和界面的摩擦学(摩擦磨损及润滑)、力学和化学等及其控制方法是微/纳米制造研究中急需解决的关键技术问题。这些问题的解决对摩擦学研究提出了严峻挑战，新的摩擦学理论和技术的出现将为微/纳米制造技术的发展以及相关问题的解决提供保障。关键词:微/纳米制造技术；表面与界面；摩擦学；摩擦学；挑战。1．国内外研究现状和发展趋势随着现代科学技术的发展，人们不断追求尺度小且性能完善的微型装置，以适应信息、生物、环境医学、航空航天和灵巧武器等领域的要求。这一发展趋势对于现代制造科学技术的发展具有深远的影响。目前，微纳米制造技术已成为制造业发展的重要方向，是21世纪最具有前景的3大领域和当今世界竞争最激烈、发展最迅速的领域之一。微/纳米器件中起主导作用的是微纳米电子器件。针对继硅基微电子器件之后将会出现何种纳米电子器件，目前国际上已提出了多种解决方案。其思路基本可分为2种:其一为研究开发最小特征线宽为20~50nm的器件，作为现有集成电路的进一步微细化，其设计思想基本不变，但在材料、光刻和掺杂等制造要素的原理与工艺方面将会发生较大变化，如有可能使用有机物或聚合物材料，从而制得有机纳米电子器件；其二则与现有微电子原理和工艺完全不同，利用量子效应构成全新的量子结构系统。国内外有关实验室已在研究各种可能的器件模式，如量子点、量子线、单电子晶体管、单原子开关及自旋电子器件等；而纳米量子结构中波函数工程的提出使得研究者有可能从量子态波函数出发来设计新一代量子器件，开辟了量子相干的电子和光电子新领域。这些研究目前尚处于基本现象发现基本原理探索和基本结构实验阶段，但进展很快。如美国哈佛大学、荷兰Deift大学等用碳纳米管和纳米导线为材料成功制备出了二极管和场效应晶体管；美国加里福尼亚大学伯克利分校和贝尔实验室尝试用几百个原子的晶体制作量子岛；美国加里福尼亚大学洛杉机分校和惠普实验室开展了利用共振隧道效应使有机分子实现“通”、“断”状态转换的实验研究等。这些基础研究显示了下一代电子器件发展的新方向和进入量子化的新阶段。但上述原理性的实验如何才能演变为具有运算功能的电路和器件还有赖于进行一系列由功能原理向制造原理转化的研究。微电子机械系统(MEMS)是电子与机械相结合的微机电系统，具有微驱动微制动机电微2结构集成的特点。在尺度趋向微米、纳米时，小尺度效应产生的问题需要利用新的原理来加以解决。而多能域(电、机械、热、光和化学等)藕合问题在MEMS中更为突出，是与材料特性和制造过程多参数相关的复杂系统问题。高性能电子器件(HPED)向更小尺度、更高功效的发展既是市场的需要，更是科学自身发展的必然。目前世界范围内针对纳米电子器件和分子电子器件的研究刚起步，以MEMS为核心的微生命系统微惯性系统和微传感系统虽已有产品问世，但由于缺乏MEMS共用元件和技术模式，因此，相应的MEMS器件和技术研究仍有广阔的发展空间。美国半导体工业协会预计：“目前这场采用纳米量子结构的信息技术硬件革命，完全可以与30年前用微电子集成芯片取代晶体管所引发的那场革命相提并论”。在微/纳米制造领域，我国在关键制造理论与技术方面已开展了大量研究工作，但由于科技投入力度较弱，整体与国际差距很大。所以我们应及早把握住这一重大科技发展方向，抓住机遇，力争在微纳米制造技术领域的竞争中赢得优势，实现我国由“制造大国”向“制造强国”的转变。2．微纳米制造技术特征及其对摩擦学挑战在微/纳米制造技术中，由于制造的特征尺寸(如精度、间隙、表面粗糙度及芯片线宽等)达到纳米量级，结构尺寸有时也达到微米甚至纳米量级，因此出现了一系列新的科学问题。当器件的尺度从1mm减小到1µm时，面积减小近1百万倍，而体积减小近10亿倍。此时，正比于面积的摩擦力、粘性力和表面张力等阻力与正比于体积的惯性力和电磁力等相比增大达数千倍。正因为如此，在微纳米器件的设计、制造和使用过程中，发生在表面和界面的摩擦学、热学和化学等行为占据了主导地位，而深入揭示这些表面行为的规律并寻求其有效的控制方法是当前微纳米制造科学和技术函待解决的重要课题一般认为，微纳米制造技术涉及到以下关键共性制造技术。2.1微结构制造技术单位体积或单位面积内功能结构单元的密度往往决定着产品的性能。目前有2种微结构制造方案，即“自上而下”和“自下而上”的方案。“自上而下”技术主要立足于传统的加工方式，通过不断进行技术创新来突破原有的加工极限，以实现微小结构的制造，其代表工艺有光刻技术、微压印技术和离子束刻蚀技术等。以集成电路制造为例，其线宽达90nm以3下，故特别需要关注线宽为24~50nm的集成电路制造技术。“自下而上”的制造技术则主要立足于分子自组装技术、生物自复制技术和微操纵技术等。IBM公司制作的由48个铁原子构成的“量子栅栏”为微小结构的实例；图1示出了Soong等用三磷酸腺苷酶分子(adenosinetriphosphatAPT)制作的生物分子马达，其转速可达48r/s总体而言，无论是“自上而下”还是“自下而上”的制造技术，其相应的界面粘着问题、摩擦力非线性问题和分子迁移过程的微摩擦学问题等均已成为微结构制造技术中有待突破的主要瓶颈。Fig1SchematicdiagramofanAPTbiomolecularmotor图1APT生物分子马达示意图2．2纳米精度加工技术目前对晶片、硬盘和磁头的表面加工平整度要求达到了纳米级，表面粗糙度要求达到了亚纳米级。在相应的表面加工过程中必然涉及微润滑和磨损机理及技术。另外，为了实现纳米精度加工，新的加工技术和方法如双光子加工技术和超微细电火花技术等应运而生，这些新兴的加工技术也需要解决在不同能量场作用下加工界面与离子流的相互作用，包括微摩擦和微磨损作用。下面以计算机硬盘为例加以说明。随着硬盘磁存储密度的快速上升，磁头与磁盘磁介质之间的距离进一步减小，对磁盘表面质量的要求也越来越高一方面，当硬盘表面具有波度时，磁头会随着高速旋转的存储器波动而上、下运动，如果波度超过一定的高度，磁头将不能随着波度运动，而是与磁盘基片表4面碰撞，发生所谓的“磁头压碎”，导致磁盘设备发生故障或读写信息错误；另一方面，当存储器硬盘表面存在数微米的微凸起时也会发生磁头压碎。此外，当硬盘表面存在纳米级凹坑(如图2所示)时，在超高密度(1Tb/in2)存储中将难以完整地写入信息，从而导致“比特缺损”或信息读出失败。因此，就盘片表面抛光而言，要求使得磁头浮动高度更小、表面极光滑和无表面缺陷(突起划痕和凹坑)。20世纪90年代兴起的新型化学机械抛光(简称CMP)技术是机械磨削和化学腐蚀的组合技术，它借助超微粒子的研磨作用以及抛光液的化学腐蚀作用使被抛光表面满足很高的光洁、平坦要求。目前，大多数硬盘盘片的材料为镀覆镍磷的铝合金，用CMP技术对盘片进行最终精抛光，能达到最终表面粗糙度Ra值在02nm左右。目前国内最新研究成果显示，盘片的Ra值可控制到0.1nm(基于原子力显微镜AFM测试)。随着硬盘技术的发展，对盘片表面质量的要求不断提高，逐步要求盘片的Ra值降至到0.1nm以下。因此，深入研究盘片CMP抛光机理，开发新型的抛光液及抛光技术已迫在眉睫，其中摩擦学，特别是微磨损和润滑占据主导地位。如图2所示，经过超精密化学机械抛光处理的硬盘表面存在源于超光滑表面和纳米颗粒碰撞的深2nm的纳米划痕，如何避免这些微损伤缺陷，实现尽量完美的表面加工是摩擦学家面临的艰巨任务。Fig2Nanoscalecrateronthesurfaceofultra-preciselychemically-mechanicallyfinishedharddisk图2超精密化学机械抛光硬盘表面的纳米级微坑2.3纳米间隙控制技术就含有运动部件的电子产品(如硬盘及MEMS)和制造装备而言，保证运动副间隙处于严格的控制范围对器件的工作可靠性至关重要。以计算机硬盘为例，其信息的读写由磁头和磁盘之间的高速旋转运动实现。硬盘盘片的多层膜组成从内到外依次为盘基底层、衬层、磁记录层、保护层和润滑层；磁头和磁盘运动副涉及高精度、高速度运动控制和定位、微摩擦与5磨损、表面加工与改性等问题。这就从纳米间隙控制技术方面对新型硬盘的制造技术提出了更高要求。计算机硬盘在尺寸小型化和存储量扩大方面的发展极为迅速。目前，硬盘尺寸已从20世纪80年代的14cm急剧减小至0.8cm，存储量则由1.89GB飞速提高到120GB以上，并逐步向1000GB发展。磁头的飞行高度随磁存储密度的升高而迅速下降，飞行控制精度却不断提高，2004年报道的最小飞行高度已降至8nm。目前国际上正力求实现飞行高度3nm以下运动间隙的精确控制，而空气中分子的自由行程为70nm，这就必然面临界面约束很强的稀薄气体润滑问题。其原因在于，随着磁头在磁盘上飞行高度的降低，润滑气体的稀薄效应显著增强，而此时研究磁头浮动特性时必须考虑气体分子平均自由程的影响。由于早期的气膜较厚，努森数较小，故可将气流视为在滑流领域的连续介质。随着磁记录技术的不断发展，头盘间隙越来越小(接近1/10分子自由行程)，润滑气体的稀薄效应不容忽视。因此，建立新的润滑方程和模型，为纳米间隙运动副提供设计理论已成为急需解决的问题。2．4纳米运动精度控制技术纳米线宽的光刻机和用于纳米精度加工的双光子加工装备要求其运动系统为纳米级精度。高性能电子产品的制造对电子制造装备的加速度和定位精度提出了更高要求。如目前最先进的光刻工作台的控制精度接近10nm，延时仅1µs即会导致工作台产生480µm的滞后误差；芯片封装引线键合将向加速度12g以上、键合速度15线/s以上、位置误差2µm以下的方向发展。特别是多层引线键合的发展要求运动轨迹和位置的控制精度更加精确。在这些运动过程中，如何消除摩擦、稳定摩擦或控制摩擦是一个关键问题。2．5表面微改性技术在微/纳米制造技术中，往往对表面的物理和化学特性有特殊要求，如高抗湿性、高洁净度、优良的耐磨性和超润滑等。如图3所示的微马达运行240min后失效，而摩擦副的粘着和磨损是导致失效的主要原因。另外，对微陀螺、微喷、微泵和微阀等微纳米系统表面的减摩、耐磨处理非常重要。仍以计算机硬盘为例，由于病毒的尺寸通常为60~80nm，远大于磁头、磁盘间隙；而磁盘表面的任何微小污染均可能导致硬盘失效，因此对硬盘表面进行处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术等可以有效地提高表面耐磨性能。研究表明，对沙蜴背部和钢表面进行喷砂处理可以显著提高其表面抗磨性能，而经喷砂处理的沙蜴表面抗磨性能显著优于经喷砂处理的钢表面(见图4)，这显示仿生抗磨技6术具有广阔的应用前景。Fig3Adhesionfailureofamicromotor图三某马达的运动粘着失效示意图Fig4Comparisonofwearresistanceofsand-blastskinofsandskinkandsteel图4经喷砂处理的沙蜴皮与钢表面抗磨性能对比总体来看，就前述几项共性技术而言，其许多指标已超出传统制造研究的范畴，并深入到纳米尺度的表面和界面设计及制造与控制，相应的摩擦学研究成为关键之一。3摩擦学面临的任务从国内外的发展现状和微/纳米制造技术的发展趋势来看，需要开展以下摩擦学问题研究。3.1纳米级磨损研究产品的高集成度和高性能化发展对许多部件表面提出了前所未有的特殊要求，如计算机硬盘要实现1000GB/in2的存储密度，希望盘片的表面波纹度Wa0.1nm，粗糙度Ra70.05nm；又如大规模集成电路的线宽不断下降(65nm)，并向结构立体化和布线多层化发展，要求大尺寸晶片表面具有纳米级面型精度和亚纳米级表面粗糙度，同时要保证表面和亚表面无损伤。就新一代超精密表面制造方法如化学机械抛光原子尺度碰撞和材料去除等而言，采用传统的加工理论已能解释超精密加工中的诸多现象；而且前对加工过程中