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　　1、纳米制造技术 微纳米加工技术简介 所谓加工 是运用各种工具将原材料改造成为具有用 途的形状 机械加工是将某种原材料经过切削或模压形成最基本 的部件 然后将多个基本部件装配成一个复杂的系统 某些机械加工也可以称为微纳米加工 因为就其加工 精度而言 某些现代磨削或抛光加工的精度可以达到 微米或纳米量级 但这里是指工件的形状精度 微纳米加工技术形成的部件或结构本身的尺寸在微米 和纳米量级 传统精密加工方法提高精度原则的局限性 纳米级加工方法 微纳米加工与传统加工技术的区别 一般制作微米以下 100nm以上的结构仍习 惯称为微细加工或微加工 制作100nm以下 的结构才是真正意义上的纳米加工 纳米加工

　　2、技术不可能孤立存在 纳米尺度的 物理化学现象通常需要通过微米结构的器 件或系统过渡到宏观世界 除了扫描微探 针加工技术之外 大多数纳米加工技术是 在微米加工技术基础上发展起来的 因此 微米与纳米加工是不可分割的 按加工的方式 自上向下 top down 用宏观的块体材料 Si GaAs 等 通过加工去掉多余的部分 剩下的部 分构成纳米器件 自下向上 bottom up 把微观体系的物质单元组 装成纳米器件 传统纳米加工的种类 基于SPM的纳米加工 STM AFM 自组装纳米制造 LIGA纳 米制造等 注 SPM 扫描探针显微镜 STM 扫描隧道显微镜 AFM 原子 力显微镜 特种纳米加工的种类

　　3、 电子束 离子束 电化学 按加工原理 纳米级超精密加工技术 超精密车床 高精度高速旋转主轴 静油压 空压轴承 传动机构精度高 刚性高 微细进给传动机构精度高 刚性高 微细进给 1um以下 精密量测控制装置精密量测控制装置 被削材 磁盘 磁鼓 球面镜等电子光学组件与精密模具 Cu Au Ag Al Pt Pb electroless Ni Be Brass Si Glass 等 20 50 nm Rmax 的面粗糙度 其值可更小 但 取决于加工机械的运动精度机械的运动精度 红外线窗用材料 面粗糙度 Rmax nm SrF2 23 ZnS 40 CaF2 43 NaCl 45 ZnSe 76 Ge

　　10、束光刻加工 1 现今电子束光刻技术能加工最小线 m 改进后极限线 当STM或AFM使用导电材料探针 通过控制探针 和试件间的偏压 可以将针尖处的电子束聚焦到极 细 再采用光刻工艺 可获得极精微的光刻图形 局部阳极氧化法加工微结构 1 针尖 试件表面间存在着隧道电流和电化学反应 的法拉第电流 2 电化学阳极反应过程中针尖是阴极 试件表面为阳极 吸 附在试件表面的水分子 H2O 起到了电化学反应的电解液作 用 提供氧化反应中所需的OH 离子 3 局部阳极氧化法可使试件 表面数个原子层氧化 探针在氧化硅表面制成的清大材料系徽探针在氧化硅表面制成的清大材料系

　　11、徽 针尖电场聚焦原子组装成三维立体结构 控制STM和AFM的工作条件 针尖 试件间距离 外加电 场 环境温度 在适合时 试件表面原子就会聚焦到 针尖下 并自组装生成三维纳米为结构 组装生长 一维纳米材料中的组装技术包括两个方 面 零维材料组装成一维材料以及一 维材料组装成有一定结构的阵列或网 络结构 在组装技术中 不管是需要 施加外力的后组装技术 还是利用前 驱体自身的相互作用力的自组装技术 操纵都是比较复杂的 模板结构内的组装 I Rubinstein Angew Chem Int Ed 2003 42 5575 nanoparticle nanotubes Self assembly of

　　14、Chem Soc 2001 123 4360 C M Lieber Nano Lett 2003 3 1255 基底诱导 用高压气体吹动含有DNA和Mg2 的液滴 使其在平 面铺展 长链的DNA分子彼此相互平行排列 在另外 一个角度重复该方法得到DNA的网络结构 随后将 Pd2 吸附在DNA分子表面 还原后就是Pd纳米线阵列 C D Mao Nano Lett 2003 3 1545 无论那种组装方法 都需要实现 自下而上 的组装思路 才能在微电子器件加工中被广泛 运用 并最终实现低成本 稳定 可重复 尺 度可控 结构可控以及适用范围广的组装 特种纳米制造技术 3 1 特种纳米加工简介 3 1

　　15、 1 常规尺度下的传统加工 切削加工 与 特种加工 3 1 2 纳米尺度下的传统加工与特种加工 3 2 电子束加工技术 3 3 离子束加工技术 3 4 电化学加工技术 2014年12月8日6时18分 50 2014年12月8日6时18分 51 3 1 1 常规尺度下的传统加工 切削加工 与特种加工 3 1 特种纳米加工简介 切削加工的本质特点 1 刀具硬度 工件硬度 2 靠机械能切除工件上的多余材料 切削加工的种类 车 铣 刨 磨 钻等 特种加工的本质特点 1 主要依靠能量 电 化学 光 声 热 次要依靠 机械能 2 工具硬度 电子质量 离子射线 离子束曝光灵敏度 电子束 一

　　16、二个数量级 曝光时间缩短很多 3 无电子束的邻近效应 图形线条十分精细 聚焦离子束曝光 实验室中已获得10nm分辨率 效 率低 投影离子束曝光 最细线 离子束加工技术 4 3 3 离子束加工的应用 刻蚀 又称蚀刻 腐蚀 独立于光刻 刻蚀常与光刻配对出现 刻蚀的抗蚀剂膜需 要曝光技术形成 光刻之后形成图形结构靠 刻蚀得到 微 细 加 工 中 的 刻 蚀 技 术 干法 刻蚀 利用 高能束 去除 材料 湿法 刻蚀 湿法化学刻蚀 湿法电解刻蚀 离子束溅射刻蚀 物理作用为主 等离子体刻蚀 化学反应为主 反应离子束刻蚀 兼有

　　17、物理化学作用 离子束轰击工件 动量传递到工件表面原子 传递能量超过原子键合力 原子被撞击出来 优点 1 分辨率高 适合刻蚀精细图形 线 无侧向腐蚀 图形边界清晰 3 各种材料 金属 合金 绝缘体 有机物 4 图形壁角可控 调节入射角 旋转基片 5 能量 束流密度 入射角 工作压强可控 离子束直接引向工件表面 发生化学反应 生成易挥发 易靠离子动能加工的产物 通过离子束溅射作用来刻蚀 亚微米级 集成电路制造的关键工艺之一 目的是完整的将掩膜图形绘制到硅片表面 2014年12月8日6时18分 69 4 离子溅射镀膜 3 3 离子束加工技术 4 3 3 离子束加工的应用 原理 气体电离

　　18、离子向阴极靶运动 靶表面溅射出分子或原子 沉积在基片上形成薄膜 应用 1 高速钢刀具上镀氮化钛 TiN 硬质膜 显著提高刀具寿命 镀膜速度300nm min 2 齿轮或轴承上镀二硫化钼 MoS2 润滑膜 厚0 2 0 6 m 摩擦系数0 04 3 制造薄壁零件 如某管件长15mm 厚63 5 m 不受材料限制 2014年12月8日6时18分 70 5 离子镀 3 3 离子束加工技术 4 3 3 离子束加工的应用 工件不仅接受靶材溅射来的原子 还同时受到 离子的轰击 使离子镀具有许多独特的优点 主要优点 附着力强 膜层不易脱落 镀膜前 离子冲击基体表面 清洗粘附污物和氧化物 镀膜早期 溅射出来的

　　19、基材原子因碰撞返回 与膜材原子形成共混 膜层 可减少膜材与基材的膨胀系数不同产生的热应力 增强结合力 镀膜后期 随膜层的增厚 膜层变成单纯由膜材原子构成 应用 润滑膜 耐热膜 耐蚀膜 耐磨膜 高速钢刀具镀氮化钛 碳化钛 2 3 m厚 装饰膜 膜厚可达1 5 2 m 电气膜 2014年12月8日6时18分 71 6 离子注入 3 3 离子束加工技术 4 3 3 离子束加工的应用 工件放入真空靶室中 在几十至几百千 伏的电压下 将离子直接注入工件表面 注入离子的含量可达10 40 深度可 达1 m 甚至更深 2014年12月8日6时18分 72 3 1 特种纳米加工简介 3 2 电子束加工技术 3

　　20、 3 离子束加工技术 3 4 电化学加工技术 3 4 1 电化学加工的原理及分类 1 电化学加工的原理 2 电化学加工的分类 3 4 2 阳极溶解加工 电解加工 1 电解加工的过程 2 电解加工的特点 3 电解加工的应用 3 4 3 阴极沉积加工 1 简介 2 电铸 3 电镀 4 定域电化学沉积 2014年12月8日6时18分 73 1 电化学加工的原理 条件 事件 结果 3 4 电化学加工技术 4 4 1 电化学加工的原理及分类 i e e i Cu2 H Cl OH 阴极阴极 阳极阳极 Cu Cu CuCl2水溶液中 插入两个铜片 加上10V直流电 导线和溶液中 有电流流过 在金属和溶液之

　　21、间 必定存在 交换电子的反应 电化学反应 阳极 溶解 阴极 沉积 2014年12月8日6时18分 74 2 电化学加工的分类 3 4 电化学加工技术 4 4 1 电化学加工的原理及分类 按其作用原理分三大类 1 利用电化学阳极溶解来进行加工 如电解加工 电解抛光 2 利用电化学阴极沉积 涂覆进行加工 如电镀 电铸 涂镀 3 利用电化学与其它加工方法相结合的电化学复 合加工 电解磨削 电解研磨 电解电火花复合加工等 2014年12月8日6时18分 75 3 1 特种纳米加工简介 3 2 电子束加工技术 3 3 离子束加工技术 3 4 电化学加工技术 3 4 1 电化学加工的原理及分类 1 电化学

　　22、加工的原理 2 电化学加工的分类 3 4 2 阳极溶解加工 电解加工 1 电解加工的过程 2 电解加工的特点 3 电解加工的应用 3 4 3 阴极沉积加工 1 简介 2 电铸 3 电镀 4 定域电化学沉积 2014年12月8日6时18分 76 电解加工示意图 电解加工成形原理 1 电解加工的过程 3 4 电化学加工技术 4 4 2 阳极溶解加工 电解加工 利用金属在电解液中的电化学阳极溶解 将工 件加工成形 直流电源 10 20V 工具阴极 工件阳极 电解液泵 0 5 2MPa 电解液 NaCl 2014年12月8日6时18分 77 2 电解加工的特点 3 4 电化学加工技术 4 4 2 阳极

　　23、溶解加工 电解加工 优点 加工范围广 不受材料力学性能限制 可加工型面复杂程度高 生产率较高 电火花的5 10倍 有时高于切削加工 较好的表面粗糙度 Ra1 25 0 2 和100 m左右的平均加工精度 不存在机械切削力 没有残余应力和变形 没有毛刺 工具电极理论上不损耗 可长期使用 缺点 不易达较高精度和稳定性 电场 流场稳定性影响参数多 杂散腐蚀较严重 电极工具的设计修正麻烦 不适于单件生产 附属设备多 占地面积大 机床要防腐 造价高 废弃工作液需要无害化处理 纳米加工的可行性 从机理上看 电解是逐层地 溶解 原子或分子 可以控制微量 极薄层去 除 可以实现纳米级或原子级的加工 技术上实现

　　24、还有相当难度 影响因素太多 如温度 成分 浓度 材料性能 电流 电压等 已经开展了广泛研究 2014年12月8日6时18分 78 3 电解加工的应用 4 4 电化学加工技术 4 4 2 阳极溶解加工 电解加工 土耳其奥斯曼大学M C Baykul等 利用电化学腐蚀技术 将直径 0 25mm 的金丝 加工出金探针针尖 尖端半径的变化范围是 125 500nm 2014年12月8日6时18分 79 3 电解加工的应用 3 4 电化学加工技术 4 4 2 阳极溶解加工 电解加工 英国朴茨矛斯大学 Sophie Kerfriden等人 用直流电化学方法 腐蚀钨电极 大长径比的STM探针 尖端最锋利处的

　　25、曲率半 径为80nm 2014年12月8日6时18分 80 3 电解加工的应用 3 4 电化学加工技术 4 4 2 阳极溶解加工 电解加工 瑞典皇家理工 学院 J Linnros等学者 电化学腐蚀N型 硅 直径150 500nm 深50 m 微孔阵列 长径比100 全貌 中部 上部 下部 2014年12月8日6时18分 81 3 1 特种纳米加工简介 3 2 电子束加工技术 3 3 离子束加工技术 3 4 电化学加工技术 3 4 1 电化学加工的原理及分类 1 电化学加工的原理 2 电化学加工的分类 3 4 2 阳极溶解加工 电解加工 1 电解加工的过程 2 电解加工的特点 3 电解加工的应用

　　26、 3 4 3 阴极沉积加工 1 简介 2 电铸 3 电镀 4 定域电化学沉积 2014年12月8日6时18分 82 1 简介 3 4 电化学加工技术 4 4 3 阴极沉积加工 电铸 涂镀及复合镀加工在原理和本 质上都是属于电镀工艺的范畴 利用电镀液中的金属正离子在电场的 作用下 镀覆沉积到阴极表面的过程 2014年12月8日6时18分 83 电铸原理图 2 电铸 3 4 电化学加工技术 4 4 3 阴极沉积加工 原理 应用 1 复制精细的表面轮廓花 纹 唱片模 纸币邮票印刷版 2 复制注塑模 电火花电 极 3 制造复杂高精度的空心 零件和薄壁零件 波导管 剃须刀网罩 4 粗糙度样块等特殊零件

　　28、阴极沉积加工 目的 是在基材上镀上金属镀层 改变基材表面性质或尺寸 过程 1 镀层金属 阳极 2 镀件 阴极 3 用含镀层金属阳离子的电镀液 4 通直流电 阳极金属氧化反应 失去电子 溶液正离子在阴极还原 得到电子 成原子并积聚在表层 应用 增强金属的抗腐蚀性 增加硬度 防止磨耗 提高导电性 润滑性 耐热性和表面美观 光刻中关键技术之一 移动X射线掩膜曝光法 曝光是光刻的一个步骤 2014年12月8日6时18分 88 4 定域电化学沉积 3 4 电化学加工技术 4 4 3 阴极沉积加工 原理 应用 使离子从电极尖移向基体 将材料沉积到基体上 利用极细圆锥状电极尖 在指定区域 在电解质溶液中 通

　　29、电 a 镍柱 10 m b 镍弹簧 微细电化学沉积微细结构 用电化学STM加工纳米簇 半径3 5nm 高0 8nm 铜簇彼此相连 纳米导线 将对微电子技术带来深刻影响 电化学STM技术代表着微细电化学加工的最高水平 2014年12月8日6时18分 89 小结 3 1 特种纳米加工简介 3 1 1 常规尺度下的传统加工 切削加工 与特种加工 3 1 2 纳米尺度下的传统加工与特种加工 3 2 电子束加工技术 3 2 1 原理 动能转化为热能去除材料 3 2 2 特点 束径可达0 1 m 3 2 3 应用 电子束热微细加工 电子束化学微细加工 纳米尺度 3 3 离子束加工技术 3 3 1 原理 微

　　30、观的机械撞击能去除或镀覆材料 3 3 2 特点 逐层去除材料 纳米级精度 特种加工中最精密 最微细 3 3 3 应用 离子束曝光 离子束刻蚀 离子溅射镀膜 离子镀 离子注入 3 4 电化学加工技术 3 4 1 原理及分类 3 4 2 阳极溶解加工 电解加工 过程 特点 应用 3 4 3 阴极沉积加工 电铸 电镀 定域电化学沉积 2014年12月8日6时18分 90 4 1 LIGA纳米制造技术原理 4 2 纳米压印技术原理 2014年12月8日6时18分 91 4 1 LIGA纳米制造技术原理 4 1 1 LIGA技术简介 1 LIGA技术的发展和应用 2 LIGA制造微器件的简要过程 3 L

　　32、卡尔斯鲁原子能所 W Ehrfeld 多种微机械零件 微轴 微齿轮 微弹簧 微型医疗器械和装置 2014年12月8日6时18分 93 2 LIGA制造微器件的简要过程 1 4 1 LIGA纳米制造技术原理 4 1 1 LIGA技术简介 LIGA制造高度很大的微零件 高度达数百微米 最大1000 m 高宽比达200 使很厚的光敏胶PMMA感光 透射力极强的 深度同步辐射X射线 少量制造时 作为最终零件 大批生产时 作为铸模 再电铸得零件 单件试制时 可为最终塑料制件 也可为电铸模 批量生产时 为电铸模 2014年12月8日6时18分 94 2 LIGA制造微器件的简要过程 2 4 1 LIGA纳

　　33、米制造技术原理 5 1 1 LIGA技术简介 LIGA制造工艺流程 2014年12月8日6时18分 95 3 LIGA技术使用的同步辐射X射线 LIGA纳米制造技术原理 4 1 1 LIGA技术简介 深度同步辐射X射线 LIGA技术的关键 生成 由同步加速器或存储环内的高能相对论性电子发射出来 这种电子由电磁场进行加速 加速方向与其运动方向垂直 强度 目前强度最高的软X射线 普通X射线强度的几千到上万倍 辐射照度 很强 故曝光时间较短 它的波长甚短 0 2 2nm 穿透力极强 能够穿透 光敏胶PMMA最深达1000 m 平行度 极好 图形侧壁光滑陡峭 很高的横向分辨率 很大的高宽比

　　34、 缺点 为保证安全 光源只允许遥控操作 不便使用 费用 替代 该光源价格极其昂贵 拥有单位极少 用超紫外线光源或普通X射线光源替代 准LIGA 技术 替代者缺点 光波长较长 强度和平行性也不够理想 光刻深度只有几十到一百多微米 同时质量也稍差 2014年12月8日6时18分 96 5 1 LIGA纳米制造技术原理 5 1 1 LIGA技术简介 1 LIGA技术的发展和应用 2 LIGA制造微器件的简要过程 3 LIGA技术使用的同步辐射X射线 LIGA光刻中用的X射线 X射线 X射线 LIGA工艺的制造技术 1 抗蚀光刻胶 2 光刻工

　　35、艺 3 超精细电铸成型 4 实例 5 1 4 LIGA工艺的扩展 1 LIGA工艺制造阶梯状微结构 2 加工球形表面的微结构 5 1 5 准LIGA工艺 2014年12月8日6时18分 97 1 X射线 LIGA纳米制造技术原理 4 1 2 LIGA光刻中用的X射线掩膜 实际需求 吸收体 X射线掩膜 载体薄片 外框架 光刻种类 射线种类 同步辐射X射线 穿透能力极强 对X光掩模板 要求极高 普通IC工业中的 掩膜承受不了 不能使用 材料 厚度 特点 光学光刻 X线光刻 紫外线 强X射线 同步辐射 X射线 m 高吸收率的 重金属 钽 钨 金 金 10 m 厚度大

　　36、不能用普通 光刻技术制造 制造难度大 高吸收率 高透过率 一定强度 低膨胀系数的合金 减少载体薄膜应力 载体材料 特点 玻璃or石英片 光学光刻用 2mm 对X射线吸收率较强不能用 铍薄膜 X线透过率很高 一定强度 有毒 价高 钛薄膜 X线透过率低于铍 须更薄 2 3 m 制造难度 2014年12月8日6时18分 98 2 X射线 LIGA纳米制造技术原理 4 1 2 LIGA光刻中用的X射线掩膜 困难 要求 吸收体 金膜 厚度 10 m 要求 薄膜载体 钛膜 厚度 仅 2 m 很难用普通光刻技术制造出来 解决方法 用普通光刻技术制造 金吸收体厚度 10 m 正式的X射线 X射线 LIGA纳米制造技术原理 4 1 2 LIGA光刻中用的X射线掩膜 中间掩膜制造过程 金膜厚3 m 钛喷镀 底板蚀刻 旋转涂覆 抗蚀剂 通过电子束刻 写器形成图案 去掉 抗蚀剂 显影 金的电镀 喷镀法 在基板上 一薄层钛膜 2 m 腐蚀出窗口 在基板上 露出钛膜 形成外框架 涂覆 在钛薄膜上 3 m光刻胶抗蚀剂 电子束刻写 光刻胶 光刻胶图形潜像 曝光 显影 已感光光刻胶 光刻胶图形结构 化学试剂去除 3 m 边缘垂直 电镀金 在光刻胶图形结构空隙填满 去除光刻胶 在钛膜 2 m 载体上 3 m金掩膜 喷镀法 在

　　38、基板上 一薄层钛膜 2 m 涂覆 钛薄膜上 15 20 mPMMA光刻胶 曝光 在PMMA光刻胶上 形成图形潜像 同步辐射X射线 透过中间掩膜 显影 已感光PMMA PMMA胶图形结构 化学试剂去除 15 20 m 电镀金 在PMMA图形结构空隙填满 去除PMMA 在2 m钛膜载体上 10 15 m金掩膜 工艺掩膜制造过程 金膜厚 10 m 钛喷镀 涂覆PMMA 使用同步加速器 辐射的中间掩膜 的复制 曝光和镀金 去掉PMMA 底板的刻蚀 腐蚀出窗口 在基板上 露出钛膜 形成外框架 2014年12月8日6时18分 100 4 1 LIGA纳米制造技术原理 4 1 1 LIGA技术简介 1 LI

　　39、GA技术的发展和应用 2 LIGA制造微器件的简要过程 3 LIGA技术使用的同步辐射X射线 LIGA光刻中用的X射线 X射线 X射线 LIGA工艺的制造技术 1 抗蚀光刻胶 2 光刻工艺 3 超精细电铸成型 4 实例 4 1 4 LIGA工艺的扩展 1 LIGA工艺制造阶梯状微结构 2 加工球形表面的微结构 4 1 5 准LIGA工艺 2014年12月8日6时18分 101 1 抗蚀光刻胶 1 4 1 LIGA纳米制造技术原理 4 1 3 LIGA工艺的制造技术 作用 在LIGA工艺中起重要作用 难度 厚达数百到上千微米 均匀 致密

　　40、 平整的光刻胶 制造方式 一般是直接在基底的金属板上生成 也有的先制成聚合体板再黏贴到基底金属板上 材质 LIGA制造的精度要求高 要求抗蚀光刻胶有很高的分辨率 现在使用的惟一抗蚀光刻胶是聚甲基丙烯酸甲脂 PMMA 优点 在X射线光刻时有极好的图像再现性 即较高的分辨率 固化后强度高 能形成很大高宽比和精细的三维图形结构 缺点 感光灵敏度较低 约为500J cm3 重要要求 必须与金属基底牢固连接 很窄很高的构件仍能牢固连接 保证措施 1 基底上涂一薄层单体甲基丙烯酸甲脂 含增加黏性的成分 在压力 温度作用下 抗蚀光刻胶板 黏合层 基底 形成牢固的结合体 2 钛基底 湿氧化 多微孔表面 与PM

　　41、MA结合强度 氧化层上有金存在时 可加入苯硫酚以改善黏结力 2014年12月8日6时18分 102 1 抗蚀光刻胶 2 4 1 LIGA纳米制造技术原理 4 1 3 LIGA工艺的制造技术 大高宽比 精细的三维图形结构 2014年12月8日6时18分 103 2 光刻工艺 1 4 1 LIGA纳米制造技术原理 4 1 3 LIGA工艺的制造技术 特殊要求 光刻的曝光时间 曝光条件 光刻胶厚达数百微米 固有特点 同步辐射X射线有宽光谱分布的特性 波长范围0 2 2nm 不同波长的X射线对抗蚀光刻胶的穿透能力不同 曝光量要求 太少则光致效应不完全 过高则导致产生气泡而损伤胶的结构 上限20kJ c

　　42、m3 曝光时间局限 光刻胶厚达数百微米 一次曝光 表层的辐射照射量和底 层将有明显差别 底层未达要求 表层已超限度 单纯控制曝光时间不能 解决这问题 解决办法 滤波 滤去部分波长较长的射线 调整同步辐射X射线的波长 谱分布 使被照射的光刻胶上下层都得到要求的辐射照射量 2014年12月8日6时18分 104 2 光刻工艺 2 4 1 LIGA纳米制造技术原理 4 1 3 LIGA工艺的制造技术 LIGA显著特点 可生产窄而高的结构体 侧壁面和垂直面的偏离极小 例子 一个实验结构体 高400 m 侧面垂直度误差0 2 m 垂直度误差的原因 X射线照射过程中的倾斜 显影剂的低选择能力 由掩膜和构件

　　43、结构产生的影响 X射线辐射导致的物理效应影响 边缘效应 由菲涅耳衍射 光电子 效应 光束发散等物理现象所产生 2014年12月8日6时18分 105 2 光刻工艺 3 4 1 LIGA纳米制造技术原理 4 1 3 LIGA工艺的制造技术 a 入射光束被边缘挡住 散射光波相互干涉 衍射 b X射线辐射在抗蚀光刻胶中释放光电子和俄歇电子 逐渐释放能量 边缘清 晰度 射线光刻所用的波长范围内 a b 两种边缘模糊 0 1 m c 同步辐射X射线mrad 造成的误差可忽略 d 在射线强烈照射下 掩膜边缘被激发 可能产生荧光辐射 边缘模糊 这种情况下使用铍掩膜比钛掩膜好得多 X射线、辐射导致的边缘效应 2014年12月8日6时18分 106 2 光刻工艺 实例 4 1 LIGA纳米制造技术原理 4 1 3 LIGA工艺的制造技术 深度同步辐射X射线刻蚀出的PMMA光刻胶模 型器件 很高的精度 侧壁陡峭 表面光滑 2014年12月8日6时18分 107 3 超精细电铸成形 1 4 1 LIGA纳米制造技术原理 4 1 3 LIGA工艺的制造技术 电铸得到零件的过程 获得PMMA光刻胶的精密立体模型后 经超精细电铸成型 将光刻胶模型中的空隙填满 去掉光刻胶 得到所需微器件 电铸可使用多种金属材料 镍 铜 金 铁 铁镍合金等 实际使用最多的是镍和某些镍合金 2014年12月8日

　　45、6时18分 108 3 超精细电铸成形 2 4 1 LIGA纳米制造技术原理 4 1 3 LIGA工艺的制造技术 图中是LIGA制成的金属 镍 微器件 其中 a 微齿轮高100 m b MIT制成螺旋微弹簧 扩大了工艺加工的微零件品种 c 微蜂窝结构高180 m 壁厚8 m 孔径80 m 参照人头发 60 m 2014年12月8日6时18分 109 3 超精细电铸成形 3 4 1 LIGA纳米制造技术原理 4 1 3 LIGA工艺的制造技术 下图是制造精密金属铸模的过程 有了金属模具后 就可用电铸法复制生产金属微器件 或用注模法成批复制塑料微器件 2014年12月8日6时18分 110 3 超

　　46、精细电铸成形 4 4 1 LIGA纳米制造技术原理 4 1 3 LIGA工艺的制造技术 下图表示了LIGA制造过程中微结构的三次复制后仍保持较高的精度 PMMA胶微结构 精密电铸 镍微蜂窝结构模具 注塑成型 塑料微构件 精密电铸 镍微蜂窝结构 壁厚8 m 2014年12月8日6时18分 111 4 实例 4 1 LIGA纳米制造技术原理 4 1 3 LIGA工艺的制造技术 LIGA技术制作的微喷嘴结构 2014年12月8日6时18分 112 4 实例 4 1 LIGA纳米制造技术原理 4 1 3 LIGA工艺的制造技术 微静电电机 2014年12月8日6时18分 113 4 1 LIGA纳米制

　　48、造上下同样形状的立体微结构 现已开发了好几种LIGA 新工艺 加工较复杂的三维立体微结构 并开发了LIGA工艺和牺牲层工艺结合的复合加工工艺 大大拓宽了工艺应用范围 使其能加工更复杂的微 结构器件 2014年12月8日6时18分 115 1 LIGA工艺制造阶梯状微结构 4 1 LIGA纳米制造技术原理 4 1 4 LIGA工艺的扩展 方法一 分两次对抗蚀光刻胶进行X射线 对大齿轮的辐射量强 使光刻胶从上到下全部充分曝光 2 对小齿轮的辐射量弱些 到分界面处达到最低辐射照射量 显影后即可得到要求的阶梯状结构 缺点 需两套X射线掩膜 费用高 且需控制照射时间来控制照射量 分 界面位置

　　49、精度稍差 方法二 对大小齿轮分两次加工而成 1 用LIGA工艺加工出小齿轮 小齿轮的高度为大小齿轮之和 2 将小齿轮放人光刻胶内 胶的高度等于大齿轮的高度 进行第二次LIGA 光刻 加工出大齿轮 小齿轮有一部分高度包含在大齿轮内 这样即获得阶梯状的微型齿轮 缺点 需两套X射线掩膜 大小齿轮同心度不易高 且总的工作量较大 2014年12月8日6时18分 116 2 加工球形表面的微结构 1 4 1 LIGA纳米制造技术原理 4 1 4 LIGA工艺的扩展 LIGA 工艺可以制造表面有确定曲率半径球面 的微结构器件 2014年12月8日6时18分 117 2 加工球形表面的微结构 2 4 1 LI

　　50、GA纳米制造技术原理 4 1 4 LIGA工艺的扩展 1 原LIGA 工艺 PMMA胶的圆柱形 如图 a 2 大剂量同步辐射X射线曝光 如图 b 调整X射线频谱 使辐射量主要被结构上部吸收 控制照射时间和剂量 微结构上部的材料玻璃化而先被熔化 表面张力 熔融材料收缩成半球状 得到有半球形帽的圆柱体微结构 这种特殊的LIGA工艺 非常适合于微形球面透镜阵列的生产 2014年12月8日6时18分 118 3 侧壁倾角和曲率的控制 1 4 1 LIGA纳米制造技术原理 4 1 4 LIGA工艺的扩展 原理 控制对掩膜面内不同位置照射能量 控制倾斜角度和曲率 三维加工 方法1 移动X射线掩模曝光法 M

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