微纳制造

微納加工技术姓名：薛春荣学号：20112097104微纳加工技术第一章绪论纳米技术1.1纳米技术(nanotechnology），也称毫微技术，是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。。利用纳米技术将氙原子排成IBM学微纳加工技术1.11.2微纳技术概念的提出及应用领域随着制造业的发展对加工精度提出了越来越的要求高，传统机床的加工精度已经远远能满足飞速发展的消费及军工领域的要求，如电子硅芯片、大规模集成电路，以及对表面粗糙度要求很高的液晶面板等，于是，人们把眼光投入到精度更高的加工技术上，从最初的毫米级，到微米级(千分之一毫米)，到纳米级(千分之一微米)，于是，“微纳技术”这一概念就应运而生了。微纳技术在二十多年的发展过程中。从刚开始的单纯理论性质的基础研究衍生出了许多细分。如微纳级精度和表面形貌的测量，微纳级表层物理、化学、机械性能的检测，微纳级精度的加工和微纳级表层的加工原子和分子的去除、搬迁和重组，以及纳米材料纳米级微传感器和控制技术：微型和超微型机械；微型和超微型机电系统和其他综合系统；纳米生物学等。另一方面，微纳技术的应用领域也得到了很大拓展。到目前为止。微纳技术已经被广泛应用于国防军工和民用产品。最主要的应用如纳米级机械加工、电子束和离子束加、LIGA技术、扫描隧道显微加工技术等。微纳加工技术1.3我国微纳制造技术发展现状微纳加加工技术一般指微米、纳米级（1-100nm)的材料、设计、制造、测量、控制和产品的研究、加工、制造以及应用术由于受到基础装备、工艺技术、科研经费、行业基础等多方面因素的影响。我国的微纳制造技术的研究与世界先进水平之间尚有差距。从制造角度来说，国内的微纳技术应用除了在微电子技术、生命科学生物工程及材料应用外，在机电工程领域如静电陀螺等精确制导系统方面也有应用。但总体上来说，国内微纳制造加工成熟度不高。纳米制造在工业应用上更少。究其原因，一方面是因为我国工业底子薄，一些最适合应用到微纳技术的领域如芯片、大规模集成电路、汽车以及飞机发动机系统、高端制导系统等，核心技术、核心装备并没有掌握在我们手里；另一方面．我国的科研体系更倾向于能够产生市场效益的工程研究，而对于短期无法看到效益的基础研究支持力度不够，甚至有逐年下滑的趋势：第三。微纳制造技术不只是加工方法的问题，同样是制造装备的问题。高精密仪器设备及高精度制造、测量技术也是制约我国微纳技术发展的因素之一。微纳加工技术1.11.4微机电系统(MEMS)的应用领域微型机电系统fMEMS)可以说是目前微纳技术应用最为广泛的了，如专用集成微型仪器，微型机器人。微型惯性仪表．以及小型、微型甚至是纳米卫星等。尤其是惯性仪表，它是指陀螺仪、加速度表和惯性测量平台，是航空、航天、航海中指示方向的导航仪器。由于航空航天迫切需要体积小、重量轻、精度高和工作可靠的导航仪．因此它将是MEMS未来发展应用的理想领域。其他如信息领域的分子／原子存储器、量子阱光电子器件、芯片加工设备。生命科学领域的克隆技术、基因操作系统、蛋白质追踪系统，小生理器官处理技术、分子组件装配技术，军事领域的精确制导／精确攻击技术、微型惯性平台、航空航天领域的微型飞机、微型卫星、纳米卫星等。微纳制造技术的发展，同样涉及到科研体系问题。严格意义上来说，科研分为三个领域，一个是基础研究领域，一个是工程化应用领域，一个是市场推广领域。在发达国家的科研机制中。几乎所有的基础研究领域都是由国家或政府直接或间接支持的。这种基础研究最看重的是对于国家、民生或国防的长远意义．而不是短期内的投入与产出。因而致力于基础研究的机构或者人员。微纳加工技术根本不用考虑研究的所谓“市场化”问题。而只是进行基础、理论的研究。另一方面。工程化应用领域由专门的机构或职能部门负责，这些部门从应用领域、生产领域、制造领域抽调专家、学者及相关专业人员，对基础研究的市场应用前景进行分析，并提出可行性建议，最后由市场或企业来进行工程化应用研究。最后市场化推广的问题自然是企业来做了小知识：（纳米科技）由下往上微纳加工技术微纳加工的几种技术2.1纳米级电子束曝光系统图12号纳米电子束曝光系统（JSM-6360)微纳加工技术纳米级电子束曝光系统是以电子光学、精密机械、高真空技术、精密电子技术和计算机自动控制技术为一体的高技术集成，是研究半导体技术、光电子技术、微机电系统及微结构研发的关键设备之一。中国科学院电工研究所完成的纳米级电子束曝光系统具有纳米级曝光分辨率，控制软件丰富、操作便捷，可进行图形拼接和图形套刻。该设备既可以用于制作精密实验掩模版，也可以在硅片上直接曝光。由于其极高的分辨率，除了微电子产业应用外，它也成为当今纳米制造和纳米分析的主要手段。该项目瞄准国内急需的电子束曝光设备，在攻克实用化样机关键技术基础上。研制了以高档扫描电镜(SEM)为基础，配备了激光定位精密工件台、DSP为核心的多功能图形发生器、控制用微型计算机、真空系统、控制软件和自动输片机构的新型纳米级电子束曝光系统。供科研单位和大学用于纳米科技和半导体前沿研究，满足我国科研机构和国防建设需要。微纳加工技术在该项目在研究过程中，科研人员研发了多项具有自主知识产权的创新性关键技术。开发了以数字信号处理器(DSP)为核心，Windows2000为操作系统的通用图形发生器，在自主研制数字信号处理和软件系统方面取得了重大突破。该图形发生器可接收GDSII、CIF、DXF图形数据，并可与SEM、扫描探针显微镜(SPM)、聚焦离子束(FIB)连接，实施曝光或加工，实现高精度图形拼接和套刻。在PMMA胶上制作的单线条图形线宽21.4nmPMMA胶光栅图形线宽30nm微纳加工技术场致发射针尖阵列场拼接精度实验图形由场拼接完成的声表面波器件图形场拼接精度实验图形高精度的图形拼接与套刻微纳加工技术2.2飞秒激光微纳加工相对于传统的微加工技术和长脉冲激光（例如调的ABC激光）加工技术，飞秒激光的出现和发展为精密微加工提供了一种全新的革命性技术，与上述的传统技术相比，它具有许多明显的优点：如可进行单一步骤处理，机动性高，可直接写入结构，与加工材料无接触、无污染（这点在医学和生物学中尤其重要），精细聚焦可以获得小于空间分辨率，无热效应因而加工表面十分平滑，这些优点使得飞秒激光在当今微纳加工领域占据十分重要的位置，飞秒激光微纳加工也成为当前的热门研究课题’飞秒激光可以和诸如玻璃、石英、陶瓷、半导体、绝缘体、塑料、聚合物、树脂等一系列材料发生作用，其加工方法和作用原理也不尽相同以下几种典型的飞秒激光微纳加工过程。微纳加工技术2.1.1激光烧蚀飞秒激光烧蚀的对象一般为刚性材料，例如绝缘体半导体材料石英、玻璃材料等,一个典型的实验装置如图所示飞秒激光烧蚀实验示意图微纳加工技术在图中飞秒激光光源绝大多数是飞秒激光再生放大器，利用一个中性密度滤光器控制入射飞秒激光的强度，然后通过显微物镜把飞秒激光聚焦到待加工物体的表面待加工物体固定在平台上，平台由压电陶瓷（MNO）控制运动方向和运动速度整个系统与计算机相连。根据加工的要求编写相应的软件，通过计算机控制整个加工进程关于飞秒激光烧蚀的物理机制，目前还没有一个统一的看法，这个问题仍旧是科学家们研究的热点等人利用飞秒激光研究了烧蚀现象，根据实验结果，他们提出了一个烧蚀机制，认为由于激光能流的作用产生了两种不同的表面形态一种是在高光子通量情况下，产生普通的加热、熔化、沸腾和汽化，在材料表面形成三个破坏区，可表示为轻微改变区、起波纹区和烧蚀。第二种是在低光子通量情况下，非热过程占主要地位，加工剖面非常干净，表面没有纳米尺度的颗粒另外他们对烧蚀过程中纳米尺度颗粒的产生提出了自己的看法，认为并不是源于浓缩或者分解的机制，而是缺陷激发的机制由于晶格存在缺陷，在低通量激光作用下，晶格内缺陷部位吸收更多的热量，导致温度升高，因此在这个局部区域率先发生熔化、沸腾、汽化现象，随后烧蚀现象开始出现双光子聚合产生三维微纳结构在光与物质互作用过程中，如果光强足够强，则物质可能同时从光场中吸收两个光子，这个现象称为双光子吸收-双光子吸收是一种典型的三阶非线性微纳加工技术光学效应，其产生几率正比于光子通量密度的平方，因此双光子吸收要求相当苛刻的条件，即要求辐射光场有足够强的强度-飞秒激光具有脉冲短、强度高的特点，很容易在材料中实现双光子吸收-由于这一特点，它在飞秒激光微纳加工领域具有非常重要的应用-远远超出衍射极限的分辨本领和真正的三维立体加工，使该方法具有相当的吸引力和巨大的应用潜力-双光子聚合实验装置如图所示;双光子聚合微纳加工的实验装置图微纳加工技术与前面飞秒激光烧蚀的实验示意图相比，两者实验装置基本相同，只是在双光子聚合实验中加工材料由原来的固体材料改换为液体树脂-这种技术的原理很简单，首先将飞秒脉冲聚焦在透明的树脂上，引发双光子聚合效应，液体树脂转变为固体-这一过程被限制在焦点附近的高度局域化区域内，因为双光子吸收率与激光强度存在非线性关系-当激光焦点在树脂内沿三维方向移动时，聚合作用沿焦点的踪迹产生，这使得可以用激光在树脂内直接制造由计算机控制的任何三维结构-未被辐照的液体树脂用有机溶剂洗掉，留下计算机预先编程的图形拷贝-与普通光刻术相比，后者是一种平面过程，而飞秒激光双光子聚合是一种真正的三维立体微结构制造方法。图是“纳微米牛”雕塑的扫描电子显微照片。微纳加工技术微部分的尺寸，是目前世界上人工制作的最小动物模型-它的大小和人体红血球差不多，这么小的尺寸可以在人体内最细的血管里流动，所以有充分的理由相信这种微纳加工技术会在医疗等领域发挥重大的作用-飞秒激光双光子聚合作用之所以可以加工远小于衍射极限的微结构甚至是纳米结构，其主要原因就在于双光子作用的光强依赖性-首先，双光子聚合具有明显的阈值性；其次，聚焦后的激光强度在空间上呈高斯或类高斯分布，即焦斑中心部位强度最大，越往外强度越小-所以，当激光强度低于阈值时，不发生双光子聚合；当激光强度刚好达到双光子聚合阈值时，在激光的中心也即光强最强的地方发生双光子聚合；随着激光强度的增加，更大范围的区域发生双光子聚合-这样就很容易理解为什么能获得远小于衍射极限的加工精度-虽然瑞利判据决定了衍射极限，进而限制了最小的聚焦尺寸，但是这并不妨碍小于衍射极限的加工尺寸-一些研究人员对掺杂某些金属离子的物质进行了双光子吸收的研究，制造了一系列的微小结构等介绍了利用溶胶凝胶方法产生掺金离子玻璃薄膜，对之进行双光子吸收操作后形成了金纳米颗粒阵列；掺钛离子的光聚合树脂进行双光子聚合，在聚合物结构上产生了纳米颗粒这些微结构也许会在研究光子晶体中发挥作用，另外.报道直接利用双光子聚合在聚合物中制造光学波导、耦合器、光栅等器件。微纳加工技术利用双光子聚合加工微结构具有相当大的灵活性，使用不同的聚合物材料可以得到不同的加工效果和应用价值研究小组使用的加工材料为掺杂分子的聚甲基丙烯酸甲酯样品，这种材料是一种对光反应变色材料通过双光子吸收过程在样品中产生折射率的改变，从而实现高质量的微结构，对光反应变色材料的最大特点在于其光学可逆性，利用光学辐照，可以使反应后的产物重新恢复到反应前的状态，所以这种材料在可擦写光学信息存储、波导写入等领域具有巨大的应用潜力。微纳加工技术2.3微纳加工技术在超微电极制备中的应用基础科学的发展往往需要技术科学提供支持，微纳加工技术是实现器件和功能结构微纳米化的强有力的手段。将微纳加工技术应用于UMEs的制备