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浅说纳米制造技术pdf!

发布于 2025-07-09 06:51 阅读(

  

浅说纳米制造技术pdf

  【摘要】纳米技术与生物技术、信息技术并列为21世纪的三大科技,是21世纪高技术竞争

  的制高点,而纳米制造是支撑它走向应用的基础。纳米科学是现代科学的前沿,而纳米制造

  就是将纳米科学的新发现转变为前沿制造技术,一个国家的制造技术水平是其国力强弱的重

  要指标之一。本文简单介绍了纳米制造的国内外研究现状、趋势与挑战以及我国在纳米制造

  美国国家科学基金会将纳米制造定义为:纳米制造技术是构建适用于跨尺度(纳/微/

  宏)集成的、可提供具有待定功能的产品和服务的纳米尺度(包括1维、2维和3维)的结

  构、特征、器件和系统的制造过程。它包括自上而下和自下而上两种制造过程。纳米制造技

  术的对象是,各类微纳器件,其在微传感器、微执行器、微处理电路及智能化等器件上得以

  纳米制造将从牛顿力学、宏观统计分析和工程经验为主要特征的传统制造技术,走向基

  于现代多学科综合交叉集成的先进制造科学与技术。其主要特征有:(1)制造对象与过程涉

  及跨(纳/微/宏)尺度;(2)制造过程中界面/表面效应占主导作用;(3)制造过程中原子/

  回顾历史,亚毫米级制造精度使蒸汽机革命在英国成功,并使英国一度成为“日不落帝

  国”;微米级制造适应了电气和电子产品的制造,造就了美国、欧洲、日本的经济快速发展。

  哪个国家能在纳米极制造上夺得发展先机,必将成为新世纪的强者。纳米制造是当代科技发

  展的前沿领域,纳米技术与生物技术、信息技术并列为21世纪的三大科技,是21世纪高技

  一个国家的制造技术水平是其国力强弱的重要指标之一,纳米科学是现代科学的前沿,

  而纳米制造就是将纳米科学的新发现转变为前沿制造技术。纳米制造在信息、材料、环境、

  能源、生物、医学和国防安全等领域有重要的研究价值与广阔的应用前景。一些具有国家战

  略意义的重大工程也对纳米精度制造提出了越来越高的需求,例如,1Kg重的制导系统陀螺

  转子,如果其质量中心偏离对称轴100nm,则会造成10Km的落点误差。空间飞行器对地观

  随着纳米制造技术的发展,集成电路(IC)制造集成度和信息存储密度将提高2个数量

  级;纳米制造还可为表面电子发射平板显示器(SED)10nm电子隧穿缝隙结构的实现提供

  关键的制造方法;生物分子马达、纳米电动机、纳米机器人,分子光电器件、纳米电路、纳

  米传感器、纳米智能器件和系统也不断在实验室出现,展示了纳米科学的诱人的应用前景。

  纳米技术正在从基础研究向着应用研究和产业化的方向迅猛发展。2005年纳米产品市场达

  到320亿美元,是2004年的两倍以上。据美国国家科学基金会(NSF)预测,未来15~20

  2010年9月25日,第二届国际纳米制造大会在滨海新区举行,来自日本、英国、德国、

  美国、新加坡、韩国及台湾、香港等国家和地区的230余名专家学者共聚一堂,就纳米制造

  研究、应用、及开发的最新成果进行探讨。与会学者就纳米计量、纳米表征、纳米磨削加工、

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  2000年3月,美国总统克林顿曾向国会发布了题为”纳米技术:将引发下一场工业革命”

  的发展促进计划。计划一推出,立即在世界引起强烈反响。日本、欧洲等科技强国纷纷调整

  战略部署,一些发展中国家也竞相推进纳米技术发展计划。制造技术不断向精细化、信息化

  方向发展,纳米制造基础研究更是引起了国际上的高度关注,已成为发达国家战略高技术竞

  争的制高点,并对该领域投入了巨大的人力和财力,开展相关的基础研究。美国于1998年

  推出”国家纳米技术计划(NNI),从2005年起3年内联邦政府对纳米科技给予37亿美元

  的资助,并将纳米制造列为重要研究领域之一,英国、法国和德国等欧洲国家每年对纳米技

  术的研究投入为5-10亿欧元,其中纳米制造也被列为重要研究领域。日本对纳米制造领域

  (1)制造理论由宏观走向微观。在纳米制造中,界面/表面效应、尺度效应以及微观现

  象与工艺参数间的关系已经成为研究重点,一些新制造原理和制造方法相继出现,如电化学

  机械平坦化(ECMP)、高能束去除加工和电场诱导成形等,其作用机理涉及到分子/原子的

  相互作用。在制造对象的尺度从宏观走向微观时,原有的以牛顿力学和统计力学为基础的宏

  观制造理论已开始以分子物理、量子力学和界面/表面科学基础的纳米制造科学。因此挑战

  之一是:制造理论由宏观走向微观时,需要提示纳米制造中原子迁移机制与纳米尺度下物质

  (2)制造技术(精度、尺度)由微米走向纳米。全频谱纳米精度的超精密光学镜、纳

  米器件等加工精度或特征尺度已经达到了纳米量级,制造的精度和尺度由微米发展到纳米,

  这是制造理论和技术的一个飞跃,它将赋予产品更多、更新的性能,而且可使产品运行能耗

  大幅度降低。纳米制造技术的关键是将能量聚集在纳米空间,物质运动控制在纳米精度,形

  成功能特殊、性能优异的产品,并且制造过程具有准确的再现性。因此,需要创新和发展一

  系列新的制造原理、方法、技术和装备,同时也对制造装备提出了更高和更苛刻的要求。同

  时,对环境的精确控制要求也接近当今技术的极限水平。纳米制造的精度理论和体系、纳米

  结构的物理性能和机械性能的表征、以及纳米器件可制造性和可检测性的评价都是当前尚未

  (3)纳米器件由实验室走向产业应用。纳米技术已展现出巨大的工程价值和广阔的应

  用前景,但绝大多数纳米结构和纳米器件仍停留在实验室原型阶段。一些在国民经济和国防

  安全中有重要影响的新型纳米结构产品,如效率高达30%以上的新型纳结构太阳能电池、下

  一代平板显示器和生化传感器等,由于缺乏批量化、低成本和质量一致性的纳米制造技术的

  支持而难以面市。目前,已被广泛认同的批量化的纳米制造技术主要有纳米压印技术、LIGA

  技术和自组装技术等。因此,挑战三是:如何建立批量化纳米制造新原理与新方法,发展纳

  2008年12月17-19日,国家自然科学基金委“纳米制造基础研究”重大研究计划2009

  年度项目指南论证研讨会在上海虹桥迎宾馆顺利召开。“纳米制造基础研究”重大研究计划

  面向纳米精度制造、纳米尺度制造和跨尺度制造,聚焦纳米级去除、纳米结构成形和跨尺度

  互连三大工艺,开展纳米制造中原子/分子迁移机制,纳米结构的外场诱导成形原理,纳米

  制造系统的微扰动与响应畸变,纳米制造误差与精度理论等四个科学问题的研究,探索制造

  工艺由宏观进入微观时,能量、运动与物质结构间的作用机理与转换规律,将建立以纳米为

  “十一五”期间,国家自然科学基金委员会计划启动15个重大研究计划,每个支持经

  费约为1—1.5亿元,力争在某些领域能达到世界领先水平。其中“纳米制造基础研究”重

  大研究计划的实施周期为8年,前5年主要是项目立项工作,后3年的重点是遴选有重要进

  展的研究方向,支持项目和成果的集成升华,争取在新能源、信息产品方面形成有重大影响

  的成果。重大研究计划围绕国家重大需要和国际科技发展前沿,面向纳米精度制造、纳米尺

  度制造和跨尺度制造中的科学问题,探索制造工艺由宏观进入微观时,能量、运动与物质结

  构和性能间的作用机理与转换规律,建立以纳米为计量单位的制造理论基础及工艺与装备原

  理,培养一批从事该领域前沿研究的优秀人才,提升我国纳米制造基础研究的源头创新能力,

  我国坚持“有所为,有所不为,总体跟进,重点突破”。截止到2009年5月,全国已有

  70多个单位开展了微纳制造技术研究与开发。国家“63”计划在先进制造技术领域设立了

  “极限制造”专题,着眼于MEMS技术的应用开发。近10年来,国家自然科学基金面上和

  重点项目对于纳米制造相关研究领域一直保持着相当力度的资助,并且积累了丰厚的研究基

  础。主要研究成果包括:单质材料超光滑表面制造,实现了亚纳米精度;去除法成形,实现

  了面型精度5nm以下的制造;沉积制造,制备了2nmrDLC保护膜;纳米成形,完成30nm

  在1965年提出的表面微机械加工技术,直到现在1986~1990年制造技术的发展(包

  括结构层应力控制、牺牲层腐蚀、粘连机制的理解与防粘连技术),才使表面微机械加工技

  术进入批量生产。MEMS技术的出现也与表面微机械加工技术发展密切相关,1987年美国

  加利福尼亚大学伯克利分校和ATT等实验室研制出的微型马达、微型齿轮、微型连杆机构

  等均是在硅片上利用表面微机械加工技术实现的。超光滑表面制造在大规模集成电路制造、

  光传输、信息存储、国防等领域有重要应用价值。随着纳米科学与技术的发展,纳米精度表

  面制造已成为纳米制造的重要组成部分。亚纳米精度表面制造是实现32nm以下极大规模集

  成电路的五大关键技术之一,也是21世纪制造业的难题之一。亚纳米级表面制造方法涉及

  图形化技术是微纳制造过程的核心工艺之一。纳米压印技术(nanoimprint

  lithography,NIL)作为纳米尺度的图形化技术之一,不受传统的光学式光刻技术那种衍射极限

  的物理限制,且有加工分辨率高、速度快,以用成本低廉的特点,可应用于集成电路、生物

  芯片、超高密度盘片、光学组件、有机电子学、分子电子学等广泛领域,2004年曾被MITReview

  誉为“可能改变世界的十大未来技术”之一。纳米压印可以实现小至30nm尺度的精确复制,

  而对于离散孔、岛等较简单的图形,则可实现近来10nm尺度的成形复制。由于其突出的成

  形分辨率,纳米压印自2003年起列入国际半岛体技术路线图(ITRS),开始受到工业界的广

  泛关注。另外,纳米压印也是纳米技术中“自上而下”和“自下而上”制造方法的结合点之

  微纳加工技术是指在硅片表面(包括各种薄膜)用图形复印和腐蚀的方法制备出一定的

  图形结构的过程。微纳加工技术简单的可以分为曝光技术与刻蚀技术。光刻技术和相关集成

  电路工艺和装备的不断进步,使得集成电路制造技术的极限不断被打破,摩尔定律(1964

  年,GordenMoore提出了著名的摩尔定律,预见了半导体制造工业飞速发展的这一历史过

  程。)继续发挥作用,目前正逼近22nm水平,并向22nm以下继续发展。研究表明,目前

  占据IC主流的CMOS器件至少可以达到4~6nm特征尺寸,CMOS工艺有着非常广阔的前景。

  英国卢瑟福实验室在电子束直写光刻方面做了大量的实验工作,其拥有的商用电子光刻设备

  图形。康奈尔纳米科学实验室(CNF)采用JEOLJBX9300FSEBL系统能重复稳定地制作亚20nm

  的图形,扫描速度达到25~50MHz。NEC的研究人员用一种新型的电子束光刻胶成功地制造

  了宽10nm、高60nm、间隔为35nm的多晶硅结构。该电子束胶的成分为氯甲基杯4芳烃,

  这种烃是由4个苯环结成的直径为0.7nm的环。2008年中国科学院微电子研究所引进了世

  (1)基于物理/化学/生物等原理的纳米尺度制造。主要研究纳米结构生长、加工、改性、

  组装等纳米制造新方法与新工艺,纳米尺度制造过程中结构与器件的性能演变规律。

  (2)宏观结构的纳米精度制造。主要研究宏观结构的纳米精度制造的新原理、新方法

  与新工艺,纳米精度制造中原子/分子的迁移机制、表面/界面效应,纳米精度表面加工理论。

  (3)纳/微/宏跨尺度制造。主要研究跨尺度制造新原理与新方法,跨尺度制造中的界面

  (4)纳米制造精度与测量。主要研究纳米尺度的计量溯源与误差评价,纳米制造精度

  (5)纳米制造装备新原理。主要研究纳米制造装备的微扰动作用机制、非线性动力行

  为与响应畸变特性、能量转化方式与工艺过程控制,纳米精度运动的驱动与控制新方法。

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