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　　性能。 随着能源危机与环境问题日益突出， 纳米制造技术在太阳能电池、 照明、 锂电池、 光催化等方面的应用研究受到高度关注。 传统单晶硅太阳能电池的转化效率较高， 且己 有工业应用， 但对硅的纯度要求很高， 导致成本过高。 华中科技大学史铁林团队在印刷 碳对电极钙钛矿太阳能电池制备方面已取得显著进展。发光二极管（Light Emitting Diode， LED） 是一种以半导体为发光材料的发光组件， 被称为绿色光源， 具有节能省电、 环保、寿命长、体积小、响应快、抗振动等优点。纳米结构的引入，能够有效提高 LED 器件的性能， 降低能耗。 基于纳米结构的锂离子电池和超级电容等能量储存器件和系统 近年来的高速发展，能够有效提高储能器件的性能。 在气敏传感方面，本团队以具有优异光学特性的 Morpho 蝴蝶为对象，揭示了 Morpho 磷翅微纳结构特点与光学特性的关系，以及该微纳结构对环境氛围敏感的机理。 试验验证了其优异的光学特性及对液体介质、 气体介质敏感效果。 以制备具有优异特性 的仿生微纳结构为目标，提出采用 AFM 与 ICP 工艺相结合，用于微纳尺度的结构或 模板制备；提出采用 ICP 与电子束蒸发、湿法刻蚀相结合的分层复杂微纳结构制备方 法、ICP 与纳米线刻蚀 / 生长相结合的仿生微纳结构制备方法，制备出了仿蝴蝶磷翅 等微纳结构，并初步验证了该仿生结构的优异光学特性。

　　李楠 重庆大学 摘要：纳米制造是多学科的新型交叉研究领域，对其基础研究的深入展开可为前沿制造 技术的进步提供有力支撑。在过去的 20 多年里，基于纳米制造的探索已展示出宽广的 发展前景， 并将在多个行业为社会带来巨大的经济效益。 本文主要从先进纳米制造技术、 应用及重点成果方面简述观点。 关键词：纳米制造技术、纳米精度、纳米尺度、重大成果

　　光学曲面纳米精度制造基础 随着集成电路制造向 22nm 及以下线宽发展， 光刻机物镜的曲面精度进入纳米时代， 已成为 “极大规模集成电路制造装备与成套工艺” 中公认的制造技术瓶颈之一。国防科 学技术大学李圣怡、戴一帆团队针对大数值孔径 193 nm 波长光刻机物镜的高精度曲面 精度要求， 探索了离子束纳米精度可控面形制造的关键科学问题， 在大尺度零件纳米精 度面形加工等方面实现突破。 该团队在亚纳米级材料去除、 曲面补偿和全频误差一致收 敛等方面进行了大量的基础研究工作。 提出了离子源多参数稳定控制方法， 保证了纳米 精度光学零件加工去除函数的长期稳定，成功实现了 0.1 nm/s 最小去除分辨率，并对 直径 100 mm 熔石英平面进行离子束抛光，面形精度可达到 PVr 4.7 nm，RMS 0.88 nm； 提出了光学曲面抛光补偿加工的创新方法，利用离子束抛光的材料去除量与工具去除 函数和驻留时间的内在关系， 建立了曲面补偿算法， 在自制的离子束抛光机床上， 应用 非线性补偿抛光方法，将光学零件面形精度从 PV 300 nm 提升至优于 PV 30 nm，实现 了高收敛比加工， 显著提高了光学抛光的精度和效率。 提出了全频段误差一致收敛加工 方法， 该方法采用离子束确定性材料去除与添加相结合的纳米精度创成技术， 利用材料 添加过程中的溅射原子的强表面迁移特性， 修正中高频误差， 提高面形精度、 降低表面 粗糙度， 实现全频段误差的一致收敛。 相关工作获国家技术发明二等奖和湖南省科技进 步一等奖。研究成果应用于国家 02 科技重大专项光刻物镜加工，效果显著，国际光学 工程学会 Newsroom 专栏对研究团队在纳米精度制造的研究成果进行新闻专题报道。 晶圆平坦化与减薄技术基础 表面平坦化是集成电路制造中的关键工艺，已有化学机械抛光技术无法实现 Cu/Low-k 介质材料的均匀快速去除， 平坦化过程极易带来材料界面剥离、 互连线损伤、 表面不平整等问题。 摩擦学国家重点实验室(清华大学)雒建斌、 路新春研究团队在超精 密表面抛光理论方面展开了长期的基础研究， 在原子及材料去除理论、 抛光颗粒与抛光 液理论、 化学机械交互作用理论、 分区加载与抛光润滑理论方面取得了突出进展。 采用 柔性纳米刷抛光垫、含活性元素的多孔复合磨粒等化学机械抛光方法，实现了 Ra 达到 0.05 nm 的超光滑表面加工，成为国际报道的最光滑表面。为了降低抛光压力，减小

　　难满足高精度高效率的加工要求。 纳米切削与磨削过程易于造成加工表面损伤， 且加工表面存在刀痕， 为消除加工表 面损伤和刀痕， 实现超光滑表面及纳米量级精度的加工， 纳米抛光技术应运而生。 磁流 变抛光技术最早出现在 1974 年， 前苏联传热质研究所的 Kordonski 将磁流变液用于机 械加工，20 世纪 90 年代初，他与美国罗彻斯特大学光学制造中心 Jacobs 等人，提出 确定性磁流变抛光技术。磁流变抛光技术是利用磁流变抛光液在磁场中的固液转化流 变特性， 形成凸起缎带对加工表面进行抛光加工时对加工零件表面误差进行分析， 计算 出各局部区域的驻留时间， 进而实现以时间换空间的定量修整表面加工误差， 提高加工 表面精度的纳米加工方法。 离子束抛光主要采用离子束溅射去除表面多余材料， 首先将 惰性气体等离子体化，并用加速电极加速引至高真空加工室，采用静电透镜汇聚离子 束， 冲击工件表面， 从而将工件表面原子或分子打出， 形成纳米量级超光滑加工表面。 离子束抛光技术与磁流变抛光技术相结合，被视为加工极紫外光刻光学元件的关键技 术。 水射流抛光是加工脆性材料光学零件的又一有效方法， 该技术将混合有抛光磨料的 抛光液在一定压力的作用下喷射到工件表面，利用磨粒对工件材料的冲蚀作用去除材 料 水射流抛光与磁流变抛光技术相比，不受抛光头尺寸的限制，对环境要求不高，在 加工内凹曲面高陡度的光学表面具有明显的优势。 纳米尺度制造： 高能束是纳米尺度制造的一种有效方法，包括聚焦激光束离子束电子束纳米尺度 制造现有纳米尺度制造技术中， 激光制造技术近年来得到快速发展。 激光具有高亮度高 方向性高单色性高相干性， 可选择范围宽， 波长可从红外到 X 射线， 脉冲宽度从连续激 光到飞秒甚至更小， 瞬时功率密度较高。 激光这些特征使其既可以满足宏观尺度制造需 求， 又能实现微纳量级的制造需求， 其中飞秒激光直写技术主要利用材料与飞秒激光相 互作用产生对光子的非线性吸收，使得材料只有在焦点附近很小的体积范围内才能收 足够的能量，减小了两者相互作用范围，以提高加工分辨率。 聚焦离子束(FIB)技术是面向纳米尺度制造的一项重要技术。它是利用电场加速液 态离子源后，经过静电透镜的聚焦，得到非常小的离子束束斑，最小直径可达 10nm 以 下。 利用纳米量级高能离子束轰击材料， 使得离子与材料原子间发生相互碰撞。 高能离 子与固体表面相互作用时， 离子射入固体表层， 与表层原子发生级联碰撞， 与周围晶格 发生能量传递。 当表层原子获得足够离开材料表面的能量， 则材料表层原子被轰击出材 料表面， 产生材料的溅射去除。 利用此现象可实现纳米结构的高精度加工。 聚焦离子束 加工对提高集成电路研发效率减小研发生产成本等， 起到至关重要的作用， 是不可或缺 的核心环节。 目前， 纳米结构阵列的密集化纳米结构特征尺寸的小型化和纳米结构形状 的复杂化成为 FIB 纳米加工的三个发展趋势。 场发射透射电子显微镜中高能聚焦电子束可用于纳米尺度结构的制造，例如诱导 沉积制备纳米线、纳米点、纳米树等各种纳米结构。除此之外，高能聚焦电子束还可实 现纳米线的诱导修饰， 例如实现纳米线的切割打孔焊接， 以及长度直径弯曲度等形貌的 改变， 而且还可以在纳米线表面诱导沉积其它元素的纳米结构， 从而改善其物理化学性 能。

　　纳米科学技术是目前发展迅速、 最富有活力的科学技术领域， 受到世界各国的高度 重视。纳米科学与技术集合交叉了多学科内容，是一个融前沿探索、高技术、工程应用 于一体的科学技术体系。 纳米科技在纳米尺寸范围内认识和改造自然， 开辟了人类认识 世界的新层次， 使人们改造自然的能力直接延伸到分子、 原子尺度水平， 这标志着人类 的科学技术进入了一个新时代。许多专家认为，以纳米科学为中心的科学技术将成为 21 世纪的主导。 美国科学基金会将纳米制造定义为构建适用于跨尺度集成的、可提供具有特定功 能的产品和服务的纳米尺度的结构、 特征、 器件和系统的制造过程。 纳米制造已远远超 出常规制造的理论和技术范畴， 相关技术的发展将依赖于新的科学原理和理论基础， 依 赖于多学科交叉融合。 纳米制造从牛顿力学、 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。其主要特征在 于： （1） 制造对象与过程涉及跨尺度； （2） 制造过程中界面/表面效益占主导作用； （3） 制造过程中原子/分子行为及量子效应影响显著； （4）制造装备中微扰动影响显著。 纳米制造有着重要的工业前景，是许多技术领域发生重大发展的基础和支撑技术。 纳米制造科学技术领域还存在许多未知，需要人们去探索、了解、掌握、发明和创造。 纳米制造的新概念、 新技术、 新工艺将不断出现， 在生产实际中的应用会愈来愈深入和 广泛。

　　纳米制造包括两种技术追求， 一是针对制造精度达到纳米量级， 二是特征尺寸达到 纳米尺度中国国家自然科学基金委员会定义的纳米制造包括纳米结构制造纳米精度制 造和跨尺度制造。 纳米精度制造： 在过去的几十年里，制造过程中材料去除量从微米，到亚微米，再到纳米量级 纳 米精度制造主要包括纳米切削、纳米磨削、纳米抛光等加工形式。 纳米切削作为纳米精度加工最主要的技术之一， 以超精密数控车床为基础， 采用天 然金刚石刀具，在对加工环境精确控制的条件下，加工出纳米量级精度器件的方法。 超精密磨削是应对硬脆材料纳米加工的有效手段，借助高性能机床良好的工具完 善的辅助技术和稳定的环境条件，加工精度可控制在 0．1μm 级以下表面粗糙度Ｒa 达 10nm 纳米磨削相对纳米切削过程复杂，加工确定性较低，加工时磨削力大磨削温度高 磨削效率低， 砂轮极易因钝化堵塞而造成工件加工损伤， 产生裂纹与残余应力集中， 较

　　纳米制造技术在传感检测中具有广泛的应用。使用纳米结构制备的传感器由于具 有更大的比表面积和更高的纵横比， 在灵敏度和选择性方面更具优势， 目前已引起越来 越多ห้องสมุดไป่ตู้关注。 例如， ZnO 的各类纳米结构被探索应用于有毒气体检测， 同时利用其压电 效应及光电效应制备的压力传感、光学传感以及纳米发电机等器件均表现出了良好的

　　Cu/low-k 介质平坦化过程的机械损伤，提出了基于聚合物纳米纤维的柔性纳米刷平坦 化和含抛光活性元素的多孔复合磨粒平坦化等创新方法。 在柔性刷平坦化过程中， 由于 柔性纳米刷具有很好的纳米粒子携带能力， 并且与晶圆接触面积更大， 在同等的超低下 压力条件下，采用柔性纳米刷抛光垫的去除率比采用商用抛光垫的去除率可提高近两 倍， 为超低应力平坦化提供了有效手段； 在多孔复合磨粒平坦化研究过程中， 发现多孔 磨料独特的多孔结构不但具有携带光活性元素功能，显著降低了颗粒硬度，在提高 CMP 化学活性的同时明显降低了抛光损伤。以硬盘基片为抛光对象，实心氧化硅磨粒抛光 后，Ra 为 0.419 nm，而采用多孔氧化硅/氧化铁磨粒(铁含量 10%)抛光后，Ra 为 0.187 nm， 表面质量得到明显提高。 采用分区抛光头技术实现了抛光压力的分区可控， 实现了 0.1 psi 抛光压力的分区控制。 采用该技术的平坦化装备主要技术指标已达到国际先进 水平：片内均匀性(WIWNU)3%，去除率6 000 Å/min，表面粗糙度1 nm。研究工作为 集成电路制造国家重大专项提供了有力支持，有效地打破了国外技术垄断。 纳米切削基础理论及方法 纳米切削是纳米精度制造的重要手段， 对高端制造业发展起着重要的支撑作用。 由 于纳米切削过程的高速瞬态过程不易表征和材料纳米尺度去除的物理机制尚不明确， 纳米切削理论还不成熟， 目前仍缺少高效、 低损伤的纳米切削技术。 开展纳米切削基础 理论研究， 开发具有我国自主知识产权的纳米制造的新工艺、 新方法， 对于提升我国先 进制造水平具有重要意义。 在重大研究计划的资助下， 天津大学房丰洲研究团队对纳米 切削的基础理论和方法进行了深入系统的研究， 取得了显著进展。 该团队对纳米切削过 程中的材料去除机理进行了深入的研究，认为纳米切削去除过程源于材料的推挤变形， 建立了脆性材料纳米切削加工工艺， 实现了单晶硅表面的纳米切削加工。 该团队对纳米 切屑产生的条件进行了深入的研究，发现纳米切削中能产生切屑的刀具最小刃口半径 为 10 nm，从而为刀具精度要求提供了制造依据。通过聚焦离子束技术制备纳米刃口的 微刀具，实现了最薄切屑为 6 nm 的稳定切削。另外，该团队提出了通过离子注入改变 被加工材料表层性能实现高效纳米切削的新方法，研究发现注入离子在材料内部形成 缺陷，在切削过程中缺陷会吸收刀具引入的能量，并阻止刀具对材料产生的位错和滑 移，从而有效改善硬脆材料的机械性能。经过离子注入后单晶硅的脆塑转变深度由 236 nm 增加到 923 nm；利用离子注入技术和纳米切削技术，实现了 GaP 晶体微棱锥抗反射 层的加工，所产生的 THz 波输出透射率提高了约 17%。研究工作以 Keynote Paper 形式 发表在国际生产工程科学院的会刊上。 “光学自由曲面纳米加工理论及方法”获天津市 技术发明一等奖。