微纳米及其加工技术

武汉理工大学 盛步云教授、博导中职国培机械制造与控制专业

1 微机械系统及其加工称谓： 美国：微型电子机械系统（ MEM

S ） 日本：微机器 欧洲：微系统

按尺寸分类： 微小型机械： 1 ～10mm 微机械： 1μm～1mm 纳米机械： 1nm～1μm

现代微机械加工的特征： 高宽比达到几十以上

几个 <=W<= 几十个微米 几十 <=H<= 几百个微米

2. 具有集光、机、电性能于一体的生产器件的潜力

微机械的概况 -- 几种典型产品（ 1 ）

日本丰田公司早已造出长 4 ． 8 毫米的 4 轮微型汽车 美国斯坦福研究所的微观“人造肌肉”则可利用“扑打”的方法，带动微型飞机飞行 美国林肯实验室的燃气轮机只有钮扣般大小，可产生0 ． 64 公斤推力 麻省理工学院的喷气式发动机，直径只有 1 厘米，推力为 13 克，可带动 50 克重的微型飞机以 300 公里时速飞行 德国的微型直升机有 400 毫克重，发动机直径 1—2毫米，转速高达每分钟 4 万转 瑞典皇家理工学院设计

微机械的概况 -- 几种典型产品（ 2 ）

• 美国国家航空航天局准备要研制重 7 磅（ 3 ． 2公斤）的超微航天探测器

• 广东工业大学与日本筑波大学生物医用微型机器人，一维二维联动压电陶瓷驱动器，位移50umX50um

• 哈尔滨工业大学电致伸缩陶瓷驱动二自由度微型机器人， 10umX10um, 位移分辨率 00.1um

微机械的概况 -- 几种典型产品（ 3 ）

四桨微直升机 显微镜下齿轮机构与螨虫的比较

日本通产省工业技术院机械工程实验室（ MEL ）于 1996 年开发了世界上第一台微型化的机床——微型车床，长 32 、宽25mm 、高 30.5mm ，重量为100g

微机械材料与微型构件

• 硅体材料：单晶硅、多晶硅、二氧化硅、炭化陶瓷、石英、 金刚石、记忆合金 、压电

• 功能材料：电致伸缩材料、形状记忆材料、永磁材料、受热变相的凝胶材料

微机械的应用领域

微机械由于具有狭小空间内进行作业而又不扰乱工作环境和对象的特点，在航空航天、精密仪器、材料、生物医疗等领域有着广泛的应用潜力 另外，

– 微型机器人不久的将来可能出现在战场上

– 微机器人擅于管道检查维修

– 微组装和微型工厂

微型机械在医疗领域的应用

脊椎援助机器人

生物细胞的典型尺寸为 1 ～ 10 　微米；生物大分子的厚度为纳米量级，长为微米量级。微加工技术制造的器件尺寸也在这范围之内，因而适合于操作生物细胞和生物大分子。另外，临床分析化验和基因分析遗传诊断所需要的各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、微器皿和微流量计都可用 MEMS 技术制造。

微型机械在航空航天领域的应用

MEMS 在导航、飞行器设计、微型卫星和军事国防等方面都有重要应用。

图为一架由 EPSON 制造的微型直升机。虽然体积极小，但内置了摄像头。由超薄的超音速马达提供动力，最大可负重 17 克。

便携式工厂

微机械的一般结构

典型的 MEMS 系统

传感器

信号处理

执行器

外部信息

微传感器

微执行器

微型构件 微机械光学器件

真空微电子器件 电力电子器件 信号处理的集成电路

微机械的设计方法 -- 新的设计概念

（ 1 ） 开发微机械必须建立新的设计概念 ：

• 尽量设计无摩擦结构，不出现旋转关节，因为所有的旋转关节都有摩擦力 （因为微机械尺寸很小，摩擦力超过了其它的力，控制了系统的运动 。）

• 在我们身边有很多毫米级的昆虫，它们是开发基于昆虫模型机械的基础。

微机械的设计方法 -- 新的设计概念

（ 2 ） 开发微机械必须建立新的设计概念 ：

• 我们学习昆虫的知识对我们研究微型机械大有好处。昆虫有很多有趣的特征，比如：外部骨骼、弹性关节、伸缩肌肉等。这些特点为我们设计微机械提供了基础。（昆虫只有 104 － 106个神经细胞，它的运动是简单的机械运动，如往复运动。但是为什么这些运动看上去非常协调、灵活，这就是我们研制基于昆虫模型机械的原因。 ）

微机械的设计方法 -- 动力问题

微机械的动力问题 在微机械领域，由于尺寸及重量的限制，传统的

驱动器基本上都无法工作。目前，已经提出的几种典型方案如下： • 形状记忆合金（ SMA ）微驱动器 • DNA 驱动 • 超声马达（ USM ）驱动

形状记忆合金（ SMA ）微驱动器原理：

利用合金的相变 ( 热弹性马氏体相变 ) 来进行能量转换的，它可直接实现各种直线运动或曲线运动轨迹，而不需任何机械传动装置 。

• 优点： 1. 形状记忆合金驱动器可做成非常简单的形式 2. 形状记忆合金制作的驱动器便于实现独立控制 3. 具有传感功能 4. 所需的电源电压较低 ，易与控制电路用的电源一致以简化系

统 5. 工作时不存在外摩擦，无任何噪声，不会产生磨粒 • 缺点： 效率较低、疲劳寿命较短

微机械的设计方法 -- SMA

DNA 驱动

• 原理： 单股的 DNA链是伸直的，但是互补的 DNA遇到一起，就会形成双螺旋结构，因此单股的 DNA就会缩短。

• 优点： 几乎不需要我们另外提供任何能量，它的动力都是自然界自身所提供的绝对纯净的能源 。

• 缺点： 适用范围有限，只能在液体中工作。

微机械的设计方法 -- DNA驱动

超声马达驱动原理：利用压电陶瓷的逆压电效应将电能转换成超声波范围内

≥的机械振动（频率 20kHz）来获得驱动力，通过摩擦耦合将驱动力转换成转子或滑块的运动 。

• 优点： 1.不受磁场的干扰、 不产生电磁波 2.能量密度大 ,比电磁马达大 5 ～ 10倍 3.结构紧凑 4.结构形式多样化 5.制动和响应快 ，控制性能好 6.运行无噪音 • 缺点： 1. 由于靠摩擦力驱动，存在磨损问题，因此工作寿命较短 2. 高频振动引起温度升高，影响压电陶瓷工作的稳定性

微机械的设计方法 -- 超声马达驱动（ USM ）

2 纳米技术及其应用

内容提要

纳米技术的概念纳米科技的诞生和发展纳米技术在世界各国的发展纳米技术在各行业的应用纳米技术的发展趋势

纳米技术的概念

纳米（ nano-meter ）是一个长度单位， 1nm 为 10 的负 6 次方米。

纳米科技是研究在 1 纳米至 100 纳米尺度范围内物质构造的科技，通过直接操作和安排原子、分子来创造新的物质。它是现代物理和先进工程技术（计算机、微电子和扫描隧道显微镜等技术）结合的产物。

左图所示花粉是纳米左图所示花粉是纳米级的粒子级的粒子

下图所示的病毒也是纳米下图所示的病毒也是纳米级的粒子，级的粒子， 30-100nm30-100nm

纳米绘画

这是中国科学院化学所的科技人员利用纳米技术在石墨表面利用搬迁碳原子技术绘制出的世界上最小的中国地图

纳米科技的诞生和发展• 1959 年，物理学家、诺贝尔奖获得者理查德、费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。

• 1982 年，科学家发明研究纳米的重要工具――扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极的促进作用。

• 1991 年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的１０倍，成为纳米技术研究的热点。

• 1997 年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子。• 20 世纪未 21 世纪初，纳米技术逐步走向市场。

纳米技术在各国的发展

• 美国： 美国总统布什 2003.12.3 日签署了《 21 世纪纳米技术研究开发法案》，批准联邦政府在从 2005财政年度开始的 4 年中共投入约37亿美元，用于促进纳米技术的研究开发；到2010 年， 80万纳米科技人才 ,GDP1万亿美元。

• 日本：政府和一会做出决定：发发展纳米技术作为 21 世纪前 20 年的立国之本。

• 德国：纳米技术是 21 世纪高科技的制高点。 2000 年布署了跨部门的六大中心 , 发展纳米技术。

• 韩国、瑞典、印度……

纳米技术的应用

纳米技术应用的领域 纳米生物医学纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米化学其他方面……

纳米生物学

纳米生物学：是从微观的角度来观察生命现象、并以对分子的操纵和改性为目标的。可以利用纳米加工技术，按照分子设计的方法合成、复制成各种用途的生命零件。

DNADNA 开关开关

纳米医学的应用——纳米机器人

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研究纳米技术在生命医学上研究纳米技术在生命医学上的应用，可以在纳米尺度上的应用，可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生及其与功能的关系，获取生命信息。命信息。

纳米电子学

大规模集成电路的制造已经进入了微米和亚微米的量级。在纳米尺度上，由于电子的波动性质而呈现各种量子效应，使得电子器件已无法按照通常的要求进行工作。纳米电子学正是面对这种挑战而诞生的。

分子记忆电路分子记忆电路

纳米材料学

原理：当材料的颗粒缩小到只有几纳米到几十纳米时，由于颗粒表面相对活跃的原子数量与颗粒内部结构稳定的原子数量的比例大大增加，使得材料的性质发生了不稳定的变化。

碳纳米管碳纳米管

碳纳米管碳纳米管韧性极高，具有金属和半导体性。强度是钢的韧性极高，具有金属和半导体性。强度是钢的 100100 倍，倍，重量是钢的重量是钢的 1/61/6 。。

纳米材料用途：• 纳米级印刷电路的材料 • 纳米自洁玻璃 • 纳米固体燃料 • 纳米隐身飞机

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纳米材料特点：纳米材料特点：

熔点显著降低：金的常规熔点为熔点显著降低：金的常规熔点为 1064℃1064℃ ，当颗粒，当颗粒尺寸尺寸 1010 纳米尺寸时，则降低纳米尺寸时，则降低 27℃27℃ ，， 22 纳米尺寸纳米尺寸时的熔点仅为时的熔点仅为 327℃327℃左右左右

力学性能：用纳米材料制成的产品其强度、柔韧度、力学性能：用纳米材料制成的产品其强度、柔韧度、延展性都十分优越延展性都十分优越

光学、磁学性能都发生了改变光学、磁学性能都发生了改变

纳米机械学

• 机械加工的方法是用车、磨、铣、刨、钻等机床把料材加工成各种需要的工件。

• 纳米制造技术是由相反的方向，直接由原子、分子来完整地构造器件

纳米管光电纳米管光电

检查仪器检查仪器

纳米技术在其他方面的应用

• 军事方面• 人们的生活方面• 环境方面• 等等……

纳米技术的发展趋势

• 纳米科技的诞生使人类改造自然的能力直接延伸到分子和原子。科学家们认为，纳米科技将开发物质潜在的信息和结构潜力，使单位体积物质储存和处理信息的能力提高百万倍以上。这一作用不亚于 20 世纪三、四十年代对核能的开发。可以毫不夸张地说，纳米科技必将雄踞于 21 世纪，对人类社会产生重大而深远的影响

3 隧道扫描技术在微加工中的应用

扫描隧道显微镜

的工作原理

什么是扫描隧道

显微镜

扫描隧道显微镜的特点

扫描隧道显微镜的介绍

隧道扫描技术原理图

隧道扫描技术观察到的金刚石

电子隧道扫描技术观察到的硅表面

光纤表面结构隧道扫描

由 STM 技术引出的纳米技术

在化纤制品和纺织品中添加纳米微粒可以消除静电，除味杀菌在化纤制品和纺织品中添加纳米微粒可以消除静电，除味杀菌

冰箱，洗衣机用了纳米材料可以抗菌冰箱，洗衣机用了纳米材料可以抗菌

玻璃和瓷砖表面涂上纳米薄层后产生了自洁的功能玻璃和瓷砖表面涂上纳米薄层后产生了自洁的功能

原子操纵

STM 在微加工中的应用

由于由于 STMSTM 中针尖和样品表面的中针尖和样品表面的距离非常近，当在两者之间施加距离非常近，当在两者之间施加脉冲电压时，将在针尖和样品的脉冲电压时，将在针尖和样品的间隙内生成电场。样品表面的原间隙内生成电场。样品表面的原子在强电场的作用下，将被吸附子在强电场的作用下，将被吸附到针尖端部，在表面层上只留下到针尖端部，在表面层上只留下空穴空穴 ;; 同样，针尖上的原子物质同样，针尖上的原子物质也可以转移到样品表面层上，从也可以转移到样品表面层上，从而实现了针尖与样品之间物质的而实现了针尖与样品之间物质的交换。交换。

STMSTM进行纳米加工时，在针尖微位移驱动进行纳米加工时，在针尖微位移驱动器上施加一个电压脉冲器上施加一个电压脉冲 .. 电压的突增使得隧电压的突增使得隧道电流和针尖与样品表面之间的电场强度迅道电流和针尖与样品表面之间的电场强度迅速增大。根据电场梯度理论，针尖顶端的电速增大。根据电场梯度理论，针尖顶端的电场为最强，则针尖周围的物质在强电场的作场为最强，则针尖周围的物质在强电场的作用下，向针尖方向迁移。由于脉冲电压频率用下，向针尖方向迁移。由于脉冲电压频率远大于反馈电路工作频率，反馈电路对这一远大于反馈电路工作频率，反馈电路对这一迅速增大的隧道电流不能及时地做出反应，迅速增大的隧道电流不能及时地做出反应，电场迁移使得针尖和样品间距缩小，间距的电场迁移使得针尖和样品间距缩小，间距的缩小又使得电场进一步加强，这种正反馈最缩小又使得电场进一步加强，这种正反馈最终导致了针尖与样品表面之间发生机械接触终导致了针尖与样品表面之间发生机械接触。此时，间隙阻抗减到最小。此后，反馈电。此时，间隙阻抗减到最小。此后，反馈电路动作，针尖驱动器使得针尖后退，则在样路动作，针尖驱动器使得针尖后退，则在样品表面留下机械接触所造成的表面层的变化品表面留下机械接触所造成的表面层的变化

表面刻写

Cantilevers

silicon and silicon-nitride

SEM images of Conical Tip SEM images of Beam type cantilever

SEM images of Triangular type cantilever SEM images of Pyramidal Tip

4 光 刻 技 术

光刻技术及其背景

光刻技术的工艺过程

先进光刻技术及发展

目 录

光刻技术及其背景• 光刻技术 光刻是一种图形转移技术，将光刻版上的图形转移到涂有光敏材料，即光刻胶的硅片上。

技嘉 CPU 世界首款光刻笔记本 一次性光刻版防伪标

一 摩尔定律每 3-4 年芯片集成度翻两番，工艺线宽约缩小 30%二 芯片集成工艺的主要指标1．芯片上所集成的元器件密度（晶体管数 /平方厘米）2．最小线宽（或称特征尺寸）两个晶体管之间的距离特征尺寸以每三年递减 30% ，所集成的器件密度（晶体管数 /平方厘米）以每三年递增 80% 。到 2010 年，最小线宽可望达到 0.07 微米。

三 芯片集成工艺的技术手段 —— 光刻技术则从 1μm 以上发展到当今的 0.25μm 大规模生产及 0.1-

0.13μm 研发水平。

光刻技术及其背景

微电子工业与光刻技术的发明和发展是分不开的现代光刻技术是与微电子工业用的光致抗腐蚀剂的开发和研究联系在一起的

光刻技术得到了广泛应用和迅猛发展

光刻技术及其背景

光刻技术的工艺过程

光刻技术一般由以下几个工艺过程构成：

光刻技术一般由以下几个工艺过程构成：准备工艺： 原图制作 按照产品图纸的技术要求，采用 CAD 等技术对加工图案进行图形设

计，并按工艺要求生成图形加工 NC文件。 光刻制母板 通过数控绘图机，利用激光光源按 NC程序直接对照相底片爆关制

作原图，为提高制版精度，常以单色绿光为（ λ=546nm ）做透射光源对原图进行缩版，制成母版。

光刻技术的工艺过程

光刻技术一般由以下几个工艺过程构成： 预处理基底（多为硅片）或被加工材料表面 通过脱脂、抛光、酸洗、水洗等方法对被加工表面进行清洁，

使其干燥清洁，以利于光刻胶与硅片表面有良好的粘着力。 涂覆光刻胶层 在待光刻的硅片表面均匀涂覆一层粘着性好，厚度适当 的光刻胶。

光刻技术的工艺过程

光刻技术一般由以下几个工艺过程构成： 前烘 通过前烘使光刻胶干燥，以增加硅膜与胶片表面的粘附性和胶膜的耐

磨性，同时使爆光时能充分的发生光化学反应。 爆光 在涂好光刻胶的硅片表面上覆盖掩膜，或将掩膜置于光源与光刻胶

之间，利用紫外线光束等透过掩膜等对光刻胶继续选择性照射。在受到光照的地方，光

刻胶发生光化学反应，从而 改变了感光部分的胶的性质。 爆光时准确的定位和严格的 控制爆光强度和时间是其关键。

光刻技术的工艺过程

光刻技术一般由以下几个工艺过程构成： 显影及检查 显影的目的在于使爆过光的硅片表面上的胶膜呈现与掩膜相同

（正性光刻胶）或相反（负性光刻胶）的图形。为保证质量，显影后的硅片要进行严格检查。

坚膜 通过坚膜使胶膜和硅片之间紧密粘附，防止胶层脱落，并增强

胶膜本身的抗腐蚀能力。

光刻技术的工艺过程

光刻技术一般由以下几个工艺过程构成： 刻蚀 以坚膜后的光刻胶作为掩蔽层对衬底进行干法或湿法刻

蚀，得到期望的图形。 去胶 以干法或湿法去除光刻胶膜

光刻技术的工艺过程

先进光刻技术及发展光刻技术的改进： 由于许多设备和工艺的改进 ,光刻技术的分辨能力得

到延伸 ,特别是在下表中列出的技术的改进 . 这些改进是近来光刻技术 ( 如亚波长光刻技术 )发展的基础 .亚波长光刻技术图形的关键尺寸显著地小于光源波长 .

下一代光刻技术： 硅片图形必须转移为一种可替换的工艺，即下一代光

刻技术。调查用于替换光刻技术的下一代光刻技术类型的专业研究正在进行中。这些特性的进一步研究，需要多年研发努力和大量资金。主要有四种光刻技术被认为可能成功代替光学光刻技术：

1. 极紫外光刻技术（ EUV） ； 2. 角度限制投影投影电子束光刻技术（ SCALPEL); 3. 离子束投影光刻技术（ IPL） ; 4.X射线光刻技术。

先进光刻技术及发展

下一代光刻技术： 1.极紫外光刻技术（ EUV） ；

先进光刻技术及发展

下一代光刻技术： 2.角度限制投影投影电子束光刻技术（ SCALPEL)；

先进光刻技术及发展

下一代光刻技术： 3.离子束投影光刻 技术（ IPL）：

先进光刻技术及发展

下一代光刻技术： 4.X射线光刻技术：

先进光刻技术及发展