纳米加工技术

哈尔滨工程大学机械制造工艺基础读书报告纳米加工技术学院动力学院学号2013031526姓名杨林日期2016.5.13哈尔滨工程大学机械制造工艺基础读书报告2纳米加工技术纳米技术的背景纳米技术是一门方兴未艾的学科和领域。纳米技术的迅猛发展在21世纪将对人类社会的文明进步及社会的发展起到极其重要的作用,可能将带来第五次技术革命。世界各发达国家都在为这个21世纪的基础技术抢占科技战略制高点。纳米技术的强大生命力在于纳米效应(如量子效应、巨大的表面和界面效应等),它能使物质的许多性能发生质变,而实现纳米效应的关键首先是具有纳米结构,任何纳米技术均须依赖通过纳米加工技术将物体加工至纳米尺度。因此,纳米结构加工技术是整个纳米技术的核心基础,是当前世界科学研究巫待解决的难题之一。纳米技术的定义所谓纳米技术通常指纳米级(0.1nm~100nm)的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术.纳米技术主要包括纳米级精度和表面形貌的测量;纳米级表层物理、化学、机械性能的检测;纳米级精度的加工和纳米级表层的加工一一原子和分子的去除、搬迁和重组;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;纳米生物学等;纳米加工技术是纳米技术的一个组成部分纳米加工的含义是达到纳米级精度(包括纳米级尺寸精度,纳米级形位精度和纳米级表面质量)的加工技术.纳米加工技术的特点众所周知，欲得到1纳米的加工精度，加工的最小单位必然在亚微米级。由于原子间的距离为0.1-0.3nm，纳米级加工实际已到加工的极限。纳米级加工是将试件表面的一个个原子或分子作为直接的加工对象，所以，纳米级加工的物理实质就是要切断原子间的结合。实现原子或分子的去除。而各种物质是以共价键、金属键、离子键或分子结构的形式结合而组成，要切断原子间的结合需要很大的能量密度。在机械加工中，工具材料的原子间结合能必须大于被加工材料的原子间结合能。而传统的切削、磨削加工消耗的能量较小，实际上是利用原子、分子或晶体间连接处的缺陷而进行加工的，但想要切断原子间的结合就相当困难的。因此，纳米加工的物理实质与传统的切削、磨削加工有很大区别。直接利用光子、电子、离子等基本能子的加工是纳米级加工的主要方向和主要方法。纳米级加工精度与常规精加工的比较纳米级加工中.工件表面的原子和分子是直接加工的对象.即需切断原子间的结合纳米加工实际已到了加工的极限而常规的精加工欲控制切断原子间的结合是无能为力的,其局限性在于:1)高精度加工工件时,切削量应尽量小而常规的切削和磨削加工,要达到纳米级切除量,切削刀具的刀刃钝圆半径必须是纳米级,研磨磨料也必须是超细微粉.目前对纳米级刃口半径还无法直接测量.2)工艺系统的误差复映到工件,工艺系统的受力/热变形、振动、工件装夹等都将影响工精度3)即使检测手段和补偿原理正确,加工误差的补偿也是有限的.4)加工过程中存在不稳定因素如切削热,环境变化及振动等由此可见.传统的切削/磨削方法,一方面由于加工方法的局限或由于加工机哈尔滨工程大学机械制造工艺基础读书报告3床精度所限,显示出在纳米加工领域应用裕度不足另一方面,由于科技产业迅猛发展,加工技术的极限不断受到挑战.有研究表明,磨削可获得35nm的表面粗糙度,但对如何实现稳定、可靠的纳米机加工以及观察研究材料微加工过程力学性能则始终受到实验手段的限制,因此纳米机加工必须寻求新的途径即直接用光子、电子、离子等基本粒子进行加工.例如,用电子束光刻加工超大规模集成电路纳米级加工精度包括：纳米级尺寸精度、纳米级几何形状精度和纳米级表面质量三个方面。纳米级的尺寸精度传统的长度基准是以标准尺为基准。由于零件材料的稳定性，内应力，本身重量造成的变形等内部因素和环境的温度变化、气压变化、测量误差等都将产生尺寸误差。所以，现在采用光速和时间作为长度基准。较大尺寸的绝对精度很难达到纳米级，较大尺寸的相对精度或重复精度可以达到纳米级。例如在超级精密加工中，某些特高精度孔和轴的配合，通过使用激光干涉测量或x射线干涉测量法都可以达到A0级的测量分辨率和重复精度。微小尺寸的纳米级加工，正处于研究阶段之中。纳米级的几何形状精度在精密加工中，精密零件的几何形状直接影响到它的工作性能和工作效果，常要求达到纳米级的几何形状精度。例如，精密轴和孔的圆度和圆柱度，精密球（如陀螺球，计量用标准球）的球度。纳米级的表面质量纳米级的表面质量不仅仅指它的表面粗糙度，而且包含其在内的表层的物理状态，如无表面残留应力，无组织缺陷等。微型机械和超微型机械的零件对其表面质量有严格的要求。纳米级加工的关键技术a.测量技术·纳米级测量技术包括纳米级精度的尺寸和位移的测量、纳米级表面形貌的测量纳米级测量技术主要有两个发展方向:1)光干涉测量技术:可用于长度、位移、表面显微形貌的精确测量.用此原理测量的方法有双频激光干涉测量、光外差干涉测量、X射线干涉测量等.2)扫描隧道显微加工技术亦称为原子级加工技术，原理是通过扫描隧道显微镜的探针来操纵试件表面的单个原子，实现单个原子的和分子的搬迁、去除、增添和原子排列重组，实现极限的精加工。近年来，扫描隧道显微加工技术获得了迅速的发展，并取得了多项重要成果。例如，1990年，美国圣荷塞IBM阿尔马登研究所D.M.Eigler等人在4K和超真空环境中，用35个Xe原子排成IBM三个字母，每个字母高5nm.，xe原子间的最短距离为1nm.，而日本科学家则实现了将硅原子堆成一个“金字塔”，首先实现了三维空间的立体搬迁。目前，原子级加工技术正在研究对大分子中的原子搬迁、增加原子、去除原子和原子排列的重组。用的各种化工材料。电子信息产业是目前发展最为迅速的高新技术产业，已跃居世界第一大产业，电子信息产业水平已成为衡量一个国家综合水平的重要标志之一。电子化学品对电子信息产业来说，是不可缺少的支撑产业，发挥着举足轻重的作用，可以毫不夸张地讲，任何电子产品的问世，几乎都与电子化学品的创新有关，没有电子化学品的发展和新技术的突破，就基本上可以说不可能有电子产品的更新换代和新产品的涌现。例如液晶材料是液晶哈尔滨工程大学机械制造工艺基础读书报告4显示器件（LCD）的基础材料，液晶显示器是20世纪末最有发展活力的电子产品之一，其具有工作电压低、微功耗、体积小、显示柔和、无辐射危害等一系列优点，使个人电脑、笔记本电脑、手机、彩电更高档。其它如塑料光纤以其独特的优越性能促使高速、高容量的数据通讯系统迅猛发展；高质量的封装材料出现使得IC芯片集成度提高，使得电脑、手机、电视机变得小而薄、更精致美观。总之，随着新型化工材料的不断创新和在高科技领域的广泛应用，必将加速科技发展和人类物质文明的进程。b.材料制造技术著名的诺贝尔奖获得者Feyneman在20世纪60年代曾预言:如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话,我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性,就会看到材料的性能产生丰富的变化.他说的材料即现在的纳米材料.纳米材料是由纳米级的超微粒子经压实和烧结而成的它的微粒尺寸大于原子簇,小于通常的微粒,一般为1-100nm它包括体积份数近似相等的两部分:一是直径为几个或几十个纳米的粒子;二是粒子间的界面纳米材料的两个重要特征是纳米晶粒和由此产生的高浓度晶界这导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变.如:纳米陶瓷由脆性变为100%的延展性,甚至出现超塑性.纳米金属居然有导体变成绝缘体.金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中,可大大降低静电作用纳米TiO2按一定比例加入到化妆品中,可有效遮蔽紫外线.当前纳米材料制造方法主要有:气相法、液相法、放电爆炸法、机械法等.l)气相法:①热分解法:金属拨基化合物在惰性介质(N或洁净油)中热分解,或在H冲激光分解此方法粒度易控制,适于大规模生产.现在用于Ni、Fe、W、Mo等金属,最细颗粒可达3一10nm②真空蒸发法:金属在真空中加热蒸发后沉积于一转动圆的流动油面上;可用真空蒸馏使颗粒浓缩此法平均颗粒度小于10nm2)液相法:①沉积法:采用各种可溶性的化合物经混合,反应生成不溶解的氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐或有机盐等沉淀.把过滤后的沉淀物热分解获得高强超纯细粉.②Sol-Gel法:1969年.RRoy采用此工艺制备出均质的玻璃和陶瓷由于该法可制备超细(10nm一100nm)化学组成及形貌均匀的多种单一或复合氧化物粉料已成为一种重要的超细粉的制备方法.3)放电爆炸法:金属细丝在充满惰性气体的圆筒内瞬间通人大电流而爆炸此法可制造MoW等难熔金属的超细颗粒(25一350nm),但不能连续操作.4)机械法:利用单质粉末在搅拌球磨(AtritorMil)过程中颗粒与颗粒间和颗粒与球之间的强烈、频繁的碰撞粉碎.近几年大量采用搅拌磨,即利用被搅拌棍搅拌的研磨介质之间的研磨,将粉料粉碎·粉碎效率比球磨机或振动磨都高c.三束加工技术可用于刻蚀、打孔、切割、焊接、表面处理等.l)电子束加工技术:电子束加工时,被加速的电子将其能量转化成热能,以便除去穿透层表面的原子,因此不易得到高精度.但电子束可以聚焦成很小的束斑(Φ0.1um)照射敏感材料用电子刻蚀,可加工出0.1um线条宽度.而在制造集成电路中实际应用.2)离子束加工技术:因离子直径为0.1nm数量级.故可直接将工件表面的原子碰撞出去达到加工的目的用聚焦的离子束进行刻蚀,可得到精确的形状和纳米级的线条宽度哈尔滨工程大学机械制造工艺基础读书报告5.3)激光束加工技术:激光束中的粒子是光子,光子虽没有静止质量,但有较高的能量密度激光束加工常用YAG激光器（λ=1.06um)和CO2（λ=10.06um)激光器位.激光束加工不是用光能直接撞击去掉表面原子,而是光能使材料熔化、汽化后去掉原子d.LIGA技术LIGA技术是20世纪80年代中期德国W.Ehrfeld教授等人发明的，即从半导体光刻工艺中派生出来的一种加工技术。其机理是有深度同步辐射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，主要工艺过程由x光光刻掩模版的制作、x光深光刻、光刻胶显影、电铸成模、光刻胶剥离、塑模制作及塑模脱模成型组成。适合用多种金属、非金属材料制造微型机械构件。采用LIGA技术已研制成功或正在研制的产品有微传感器、微电机、微执行器、微机械零等。微型机械和微型机电系统纳米加工技术的出现使微型机电系统进入了一个广阔的崭新领域集成的微型机电系统日本称为微型机械(Mieromaenine),美国则称为微型机电系统(MieroEleetroMeehaniealsystems一MEMS),欧洲称为微系统(Mierosystem).(l)微型机械.现在微型机械的研究已达到较高水平,已能制造多种微型零件和微型机构已研制成功的三维微型机械构件有微齿轮、微弹簧、微连杆、微轴承等.微执行器是比较复杂、难度大的微型器件,研制成功的有微阀、微泵、微开关、微电动机等.(2)微型机电系统.MEMS是在微电子工艺基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域.是纳米加工技术走向实用化,能产生经济效益的主要领域.比如:l)微型机器人是一个非常复杂的机电系统.美国正在研制的无人驾驶飞机仅有蜻蜓大小,并计划进一步缩小成蚊子机器人,用于收集情报和窃听医用超微型机器人是最有发展前途的应用领域。它可进入人的血管,从主动脉管壁上刮去堆积的脂肪,疏通患脑血栓病人阻塞的血管。日本制定了采用机器人外科医生的计划,并正在开发能在人体血管中穿行、用于发现并杀死癌细胞的超微型机器人.2)微型惯性仪表:惯性仪表是航空、航天、航海中指示方向的导航仪器,由于要求体积小、重量轻、精度高、工作可靠.因此是微型机电系统应用的理想领域.现在国外已有微型加速度几何微型陀螺仪的商品生产,体积和重量都很小,但尚需提高精度.由于MEMs的发展已初具基础,微型器件的发展也已达到一定水平,同时有微电子工业制造集成电路的经验可借鉴,各产业部门又有使用MEMS的要求,因此现在MEMS的发展条件已具备结语本文介绍了几种新兴的纳米加工技术,各具优势,各具独特的应用前景。根据不同应用场合可以选择不同