微纳制造技术基础——光刻、刻蚀、电化学

微纳制造技术基础——光刻、刻蚀、电化学

纳米制造技术概述西安交通大学机械学院 丁玉成ycding@http://www.77cn.com.cn(13909189199)

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微纳制造目标－微纳系统n n微纳系统：微纳光电子、MEMS/NEMS、微纳生物 机电系统、微纳结构功能材料(例如超材料) 微纳系统涉及的尺度范围范围极为广泛。，其包 括：n nn n①构件尺寸小至厘米级或毫米级的微小型复杂机电装 置或自主机电系统(如微型机器人或微型智能飞行器)等 ②特征尺寸达亚毫米或微米级的微机电系统/生物检测 分析微流控系统/集成光学器件/光电子系统等 ③特征尺寸从亚微米至亚百纳米的集成电路芯片和表 面功能结构 特征尺寸达亚百纳米或纳米级的材料结构/人工生物系 统/纳米电子器件等。

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纳米科技－制造技术与科学发展的新天地National Science and Technology Council (March, 2008)三大优先支持领 域：u Manufacturing for hydrogen fuel cells u Nanomanufacturing, fulfilling the promise of nanotechnology u Intelligent and Integrated Manufacturing

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微纳制造研究的任务或目标n发展创新的工艺方法、装备原理和计量手 段，大规模、高效率和稳定地实现纳米材 料、结构、器件及系统在多尺度上的集成 ，形成特异功能的产品或为重大工程和技 术难题的解决提供高性价比的技术路线。

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微纳米制造 －微纳米尺度与纳米精度的制造q宏观结构的纳米精度制造; q微纳米结构的成形制造及装备； q跨尺度（纳/微/宏）的集成制造

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纳米结构零维纳米结构 一维纳米结构量子点二维纳米结构三维纳米结构纳米结构晶体纳米线、纳米管、 量子阱、纳米薄膜 纳米带等Nanotechnology 16, (8), 1326-1334 (2005).Nanotechnology 18, (23), - (2007).Nature Materials Published online: 21 May 2006Chem. Mater. 2006, 18,3599-3601

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微制造和纳米制造的关系n纳米科技成果走向宏观世界需要微纳制造技术作为桥梁n n n从实验室－产业化 从科学手段－工程技术 从艺术品和伟大设想－工业品和国计民生纳米结构的器件最终必须 集成为宏观的实体科学家展示了操作单原子的可行性， 如何形成大规模的材料复合和成形？

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微纳制造的意义nn近年来迅速崛起的纳米科学技术在信息、光电子、材料、 环境、能源、化学、生物、医学、军事等方面预示了光辉 的应用前景，已成为举世关注的科技前沿之一 纳米科学的研究成果揭示了纳尺度下操作物理对象的可能 性和途径，预示了众多特异性能的系统和产品n n n n n n n碳纳米晶体管电子系统 单分子、单电子器件 量子效应器件 量子点激光器及其阵列系统 复合式微纳光、机、电系统 超高密度固态或生物态信息系统 ……

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21世纪经济竞争的制高点：纳米科技的发现，将在信息、光电子、材料、环境、能源、 化学、生物、医学等领域孕育新的产业碳纳米管场发射显示器磁介质的nm级离 散岛，可提高存 储密度2个数量级 生化传感器在几个 分子水平上有效工 作纳米冲击式直线电机穿刺细胞

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重大的战略机遇铁器时代 硅时代 碳时代mm蒸气革命：英国μm电气、电子革命：美国nm纳米革命，中国？10

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纳米制造将开启产业的新时代发明STM的诺贝尔物理学奖获得者H.Rohrer指出： “150年前，微米成为新的精度标准，并成为工业革命 的技术基础，最早和最好学会并使用微米技术的国家都 在工业发展中占据了巨大的优势。同样地，未来的技术 将属于那些以纳米作为精度标准、并首先学习和使用它 的国家” 2000年美国政府发表纳米技术报告，标题为“面对新 的产业革命”11

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纳米制造是纳米科技走向应用的瓶颈美国2007年展望报告－Semiconductor Int.杂志现有手段 － AFM 纳电机海浪发电原理Wang ZL*, Science 2007, 316, 102如何实现： 科学手段→工程技术 伟大设想→工业品 实验室 → 企业12

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n纳米科技走向应用的瓶颈：ü ü怎样将纳米结构和器件集成到多尺度产品中? 如何提高制造产品的一致性和制造质量的稳定性?材料：纳米线工作原理器件分子器件打破瓶颈的途径－纳米制 造： 纳米结构的可控制备nü ü ü纳米线的定位组装 创新的工艺原理保证工艺稳定的制造装备 质量控制的理论与技术生化传感器的跨 尺度集成与应用

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纳米科学纳米科技纳米材料的设计、 合成、表征； 纳米器件与纳米体 系的构筑与工作原 理； 纳米体系的介观理 论Top Down纳米制造纳米制造Top Down 制造工艺和装备的基 础问题 Bottom Up 制造装备的 基础问题纳米结构 与器件Botto m Up纳米制造装备的核心问题： ü如何实现稳定的微环境控制？ ü如何保证套刻的纳米精度精 度？

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国家重大需求－经济竞争的支撑技术q战略性产业－2020年我国IC市场将达到29500亿元ü 核心装备－光刻机工作台定位精度3-5nm，投影透镜加工精度 达到亚纳米 ü 微纳传感器网络制造系统使流程工业高效、优质、低污染 光刻机非球面投影镜组微纳传感器网络制造系统

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国家重大需求－新能源q美国NIF点火计划，中国神光计划上万面光学镜 片，制造精度为 几十纳米靶丸制造问题：Ø 10多个细小零件，零件的精度及粗糙度 nm级 Ø 靶球：直径 50μm，壳厚度 5μm，上 面刻有纳米栅线； Ø 需求为5个/秒，大批量制造要求一致性。16